一种低共熔溶剂基电解质及其应用制造技术

本发明专利技术涉及低共熔溶剂基电解质，具体的说是一种低共熔溶剂基电解质、热响应自聚合防热失控的低共熔溶剂基电解质及其在构成二次电池中的应用。低共熔溶剂基电解质为多腈类单体、与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体和金属盐；其中，所述低共熔溶剂基电解质的室温离子电导率为1

【技术实现步骤摘要】
一种低共熔溶剂基电解质及其应用


[0001]本专利技术涉及低共熔溶剂基电解质，具体的说是一种低共熔溶剂基电解质、热响应自聚合防热失控的低共熔溶剂基电解质及其在构成二次电池中的应用。

技术介绍

[0002]电动汽车用动力锂离子电池，除需要满足长续航里程和大功率充放电的要求外，安全性能也同样重要。然而，目前基于常规碳酸酯基液态电解液的锂离子电池，在遭遇滥用、短路、高温或极端情况使用时，电池内部短时间内会释放大量热量，进而引燃有机电解液，最终引起电池起火、燃烧、甚至爆炸等诸多重大安全隐患，即使是目前被认为最安全的美国特斯拉电动汽车，虽然使用了复杂的电池管理系统和安全防护措施，但仍在短短的几年时间内发生了多起电动汽车起火、燃烧、爆炸等安全事故。毋庸置疑，上述锂电池的安全隐患问题，会给消费者的人身生命安全带来极大安全威胁，进而最终影响电动汽车的快速推广应用。不仅仅是电动汽车，采用液态锂离子电池的移动智能设备如智能手机、笔记本电脑等，依然存在如上所述的重大安全隐患。因此，提升锂电池的安全性已经成为科研界和产业界关注的重大关键问题。
[0003]为了显著改善和有效解决现有锂电池存在的安全隐患问题，人们通常采用各种策略来提高锂离子电池的安全特性：1、通过陶瓷涂层提高隔膜的高温尺寸热稳定性，避免因为隔膜热收缩而引起正负极接触发生内部短路，从而减缓或避免热失控反应发生；2、在隔膜上涂覆只有在特定温度下融化的聚合物，利用聚合物的融化，阻断电池内部正负极之间的锂离子传输通道，从而有效避免锂电池热失控。上述两种处理方法在一定程度上都可以提高锂电池的安全性，但他们的缺点也较为明显，都是对锂离子电池隔膜进行处理或修饰，因此不能从液态电解液源头上有效抑制锂离子电池内部产热反应的发生和性能持续恶化等现象。而实际上，当锂电池内部温度继续升高时，甚至会加剧这种产热反应，使得在某一时段内，锂离子电池变得更加容易发生燃烧或爆炸。除了在隔膜层面，研究者还在粘结剂层面对锂电池的热阻断策略进行了一定的研究：一类是以低熔点聚合物融化形成隔层产生阻断效应；另一类是以形成增大电池阻抗的聚合物方式阻断电子传导产生阻断效应。现阶段增大电池阻抗的聚合物通常采用聚联苯、聚环己基苯、聚二氟联苯、聚吡咯、聚吩噻、聚苯胺、苯撑以及聚苯撑乙烯。CN107749480A公开一种安全结构的锂离子电池，且具有热阻断特性；当电池的温度超过90℃温度时，粘接剂发生融化，阻断电极活性材料与孔隙内部的电解液发生反应，及时阻断热失控反应，提高电池的热稳定性。粘结剂由聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、均聚甲醛和聚苯醚中的两种或两种以上组分组成。但在高温测试中，会有电池膨胀现象发生。同时，CN108470947A公开了一种添加热阻断添加剂的锂电池电解质，其在发生过充时，可以在隔膜表面产生覆盖，形成致密的阻隔层，阻碍了过充反应的进行,不仅能耐过充，而且对正常充放电行为的影响很小，但其缺点是添加量多，且需要电压达到较高(5.5V)时才能完全阻断电路，使得在实际应用中受到了极大的限制。
[0004]上述热阻断均是通过添加聚合物对锂电池进行阻断，但从实用化角度来看，仍然有许多问题需要解决：添加聚合物对电解质室温离子电导率产生负面影响，进而削弱其在室温下的电化学性能，并且聚合物不能完全阻断电池间反应，对高温电池不能形成及时有效阻断。因此这类电解质体系只适合在小电流条件下工作，而难于在常温下工作的锂电池中得到实际应用。因此，作为锂离子电池内部离子迁移介质的电解液，成为改善锂离子电池安全性的关键研究对象。
[0005]低共熔溶剂，完全不同于传统液态电解液所用的碳酸酯类溶剂，其由Abbott等人于2003年首次提出。目前，大部分低共熔溶剂是通过混合氢键受体(如季铵盐、季膦盐、咪唑盐等)和氢键供体(如酰胺、羧酸和多元醇等)而获得。低共熔溶剂的物理化学性质与离子液体非常相似，因此也有人把它归为一类新型离子液体或类离子液体。同时，低共熔溶剂与金属锂盐的互溶性大，电化学窗口宽，沸点高、不挥发等特性，是一种非常有潜力的电解质溶剂体系，目前备受关注。低共熔溶剂在电化学领域得到了一定的研究与应用。CN110120543A专利技术了一种用于液流电池的低共熔溶剂、电解质及液流电池。该低共熔溶剂由摩尔比为1:2的氢键受体和氢键供体(碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二甲酯(DMC)混合溶液)混合均匀，加热反应后，添加以下一种或多种添加剂制备而成；其提高液流电池电解质中离子的扩散系数，降低电池内阻，从而提高电池充放电性能。CN109119692A专利技术了一种耐低温的电解液和包含所述电解液的耐低温锂硫电池。该电池的特点在于将深共熔离子液体引入醚类电解液，因其强的氢键作用，在有效地降低其本身晶格能及凝固点的同时，提高了基于有机电解液锂硫电池在低温条件下离子的转移速率，从而提高了电解液的离子电导率，改善了电极与电解液的相界面稳定性。2018年《Angewandte Chemie International Edition》报道了己内酰胺/乙酰胺形成的低共熔溶剂用于溶解多硫化物，从而配合普通电解液形成了高效锂硫电解液，但循环性能及倍率性能较差。上述三种低共熔溶剂，均属于配合普通电解液使用，严重削弱了低共熔溶剂的固有优势，且不能从本质上解决普通电解液的问题，也不具备防热失控功能。为进一步提升电解液安全性及性能优势，发展完全低共熔溶剂基电解质成为解决以上电池安全性和电化学性能问题的策略之一。
[0006]结合低共熔溶剂的固有优势，开发具有热响应自聚合热阻断防热失控的低共熔溶剂基电解质代替高温易燃的有机电解液，有望在保证电池电化学等多种性能的前提下提高其安全性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种低共熔溶剂基电解质、热响应自聚合防热失控的低共熔溶剂基电解质及其在构成二次电池中的应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0009]一种低共熔溶剂基电解质，低共熔溶剂基电解质为多腈类单体、与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体和金属盐；其中，所述低共熔溶剂基电解质的室温离子电导率为1
×
10
‑5S/cm
‑9×
10
‑3S/cm，电化学窗口大于4.4V。
[0010]所述多腈类单体占低共熔溶剂基电解质质量分数的35％
‑
75％；与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体占低共熔溶剂基电解质质量分数的15％
‑
55％；金属盐占低共熔溶剂基电解质质量分数的10％
‑
50％。
[0011]进一步的说，多腈类单体在占低共熔溶剂基电解质质量分数的40％
‑
50％；与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体占低共熔溶剂基电解质质量分数的40％
‑
50％；金属盐占低共熔溶剂基电解质质量分数的10％
‑
20％。
[0012]所述多腈类单体为丙二腈、丁二腈、2,2
‑
二甲基丙二腈、1,2,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低共熔溶剂基电解质，其特征在于：低共熔溶剂基电解质为多腈类单体、与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体和金属盐；其中，所述低共熔溶剂基电解质的室温离子电导率为1
×
10
‑5S/cm
‑9×
10
‑3S/cm，电化学窗口大于4.4V。2.如权利要求1所述的低共熔溶剂基电解质，其特征在于：所述多腈类单体占低共熔溶剂基电解质质量分数的35％
‑
75％；与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体占低共熔溶剂基电解质质量分数的15％
‑
55％；金属盐占低共熔溶剂基电解质质量分数的10％
‑
50％。3.如权利要求1所述的低共熔溶剂基电解质，其特征在于：所述多腈类单体为丙二腈、丁二腈、2,2
‑
二甲基丙二腈、1,2,3
‑
丙三甲腈、亚氨基二乙腈、反丁烯二腈、硫代丙二腈、苄烯丙二腈、乙酰基丙二腈、四氯对苯二腈、苯氮杂丙二腈、四氟对苯二腈、四氟邻苯二腈、四氟间苯二腈、4
‑
氟邻苯二腈、顺,顺
‑
丙二腈、2
‑
溴丙二腈、3
‑
羟基戊二腈、2
‑
氟对苯二腈、1
‑
萘基丙二腈、2
‑
苯基丙二腈、4
‑
氟间苯二腈、4
‑
溴邻苯二腈、2
‑
苄基丙二腈、3
‑
氯邻苯二腈、3,4
‑
二腈苯酚、3
‑
氟邻苯二腈、3
‑
硝基邻苯二腈、3,4
‑
吡啶二腈、邻苯二腈、间苯二腈、富马二腈、3
‑
甲基邻苯二腈萘
‑
1,4
‑
二腈对苯二腈、硫代丙二腈、2
‑
氨基间苯二腈、4
‑
甲基邻苯二腈、4
‑
硝基邻苯二腈、二氨基顺丁烯二腈、邻氯苄叉缩丙二腈、4
‑
氨基邻苯二腈、邻氯苯亚甲基丙二腈、蒽
‑
9,10
‑
二腈、4
‑
甲氧基间苯二腈、4,4'
‑
联苯二腈、乙氧基亚甲基丙二腈、吡啶
‑
2,4
‑
二腈、吡啶
‑
2,3
‑
二腈、二甲胺亚甲基丙二腈、对甲苯磺酸氨基丙二腈、1,4
‑
二腈基环丁烷、2,5
‑
二氯对苯二腈、(苯基亚肼基)丙二腈、4
‑
羟基苯亚甲基丙二腈、6
‑
溴萘
‑
2,3
‑
二腈、2,5
‑
二甲基对苯二腈、3,6
‑
二羟基邻苯二腈、(4
‑
甲氧基苄烯)丙二腈、(2
‑
呋喃亚甲基)丙二腈、2
‑
氨基
‑
4,5
‑
咪唑二腈、2,3
‑
二氨基
‑2‑
丁二腈、3
‑
乙酰基
‑3‑
甲基戊烷二腈、2
‑
(1
‑
苯基亚乙基)丙二腈、2
‑
(4
‑
甲氧基苄基)丙二腈、(3,4
‑
二羟基苄基)丙二腈、[双(甲硫基)亚甲基]丙烷二腈、苄烯丙二腈、丙二腈二聚、1,3,5
‑
环己三腈、2,4,6
‑
三溴苯
‑
1,3,5
‑
三腈、1,3,5
‑
环己三腈、2,3,5,6
‑
吡嗪四腈、四(4
‑
腈基苯基)乙烯、四甲基琥珀腈中的一种或多种；所述与多腈类单体可形成低共熔溶剂且可离子聚合的单体为1,3,5
‑
三噁烷类单体、内酰胺类单体、环氧类单体中的一种或几种；所述金属盐为锂盐、钠盐和钾盐。4.如权利要求3所述的低共熔溶剂基电解质，其特征在于：所述1,3,5
‑
三噁烷类单体如通式1所示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔光磊，张建军，张津宁，吴瀚，刘亭亭，田宋炜，周丽雪，张浩，徐红霞，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：