一种电解液及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池相关技术领域，其公开了一种电解液及其制备方法与应用，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂的结构通式为：其中，R1为氢、碳原子数为1

【技术实现步骤摘要】
一种电解液及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池相关
，更具体地，涉及一种电解液及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]电解液作为电池四大组件(正、负极，隔膜，电解液)之一，不仅同时接触正负极界面还要于隔膜孔隙中穿梭，它与材料的浸润性、与电极之间的界面稳定性、以及自身的热稳定性，都严重影响着锂离子电池整体的容量表现与寿命长短。
[0003]电池所处的环境温度是影响电池容量、保持率、安全性的关键因素。低温下，无论是电解液内部还是电极与电解液界面处，锂离子传输动力学都会变慢，严重影响了电池的充放电容量。另外，低温下电解液还存在锂盐析出沉淀和溶剂冷冻成固体的问题，这些会让电池内部直接发生断路，电池彻底失效。高温会导致电解液分解以及其他副反应的加剧，产气与高温甚至会导致电池发生爆炸。层状结构的过渡金属氧化物正极材料，在高电荷状态下的过渡金属元素具有较高催化性，如果不能够在其表面形成保护层，很容易导致电解液因为与正极材料的直接接触而发生严重副反应。负极材料，尤其是石墨负极主要问题是与低温性能良好的碳酸丙烯酯(PC)基电解质不相容，所以需要对材料界面进行调控。
[0004]针对以上提到的正负极界面动力学与热力学问题，材料表面包覆和电解液的改性都是有效方法，但是包覆法通常比较复杂且能量损耗高。而电解液改性是一种更加简单直接的办法，添加剂作为关键成分，在循环初期会发生分解参与正负极界面层的构筑。优质的CEI/SEI能够保证正极在处于高压状态时，隔绝电解液和正极之间的接触，从而降低副反应。CN111477958A公开了一种磺酰基膦氧化合物，使用这种添加剂的电解液能够在正负极表面形成稳定钝化膜，高温循环容量和保持率都有所改善。CN113690490A公开一种亚磷酸酯类添加剂，有效阻止了有机溶剂的燃烧爆炸，电解液的热稳定性随之增加，电池的稳定性和安全性得到保障。
[0005]公认富含无机物的薄层界面是有利于界面锂离子传输和机械强度增加的(Nat Nanotechnol 2018,13,715
‑
722)，通过引入含有N、S元素的添加剂LiNO3或者LiTFSI，可以帮助界面成分中增加Li3N、Li
‑
S的(ACS Energy Letters 2021,6,1839
‑
1848)。CN114188607A提出的含有磺酰胺结构的添加剂，因为其分解产物含有大量S、N、O等杂原子，能够通过SEI膜有效改善锂离子电池的倍率循环性能、倍率放电性能、存储性能。但是这种特殊结构的添加剂在电池的低温和高温循环中的效果却并没有被提及。另外，低温下锂离子传输动力学速率对于锂离子溶剂化结构有很强的依赖性(Nano Energy 2022,98,107265)。所以同时调节界面成膜和溶剂化调控，才能保证锂离子电池在高、低温两种条件下都具备优异的电化学表现。在现有的有机电解液添加剂中，还非常缺失对于层状结构正极界面、负极界面、高低温等方面同时产生改善作用的添加剂。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种电解液及其制备方法与应用，该电解液既可以在正负极界面同时形成高离子导率、低电导率的界面膜，对电极材料提供了保护，又可以调控溶剂化结构，从而进一步优化了界面膜特性的多功能电解液添加剂。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种电解液，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂的结构通式为：
[0008][0009]其中，R1为氢、碳原子数为1
‑
4的饱和烷基或者碳原子数为1
‑
4的不饱和烷基；R2为氢、氨基或者卤素。
[0010]进一步地，所述添加剂的质量占电解液质量的百分比为0.5％
‑
5.5％。
[0011]进一步地，所述添加剂的质量占电解液质量的百分比为1％。
[0012]进一步地，所述锂盐包括四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、双氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的一种或多种。
[0013]进一步地，所述有机溶剂选自链状结构和环状结构的碳酸酯类、羧酸酯类，同时也包含含氧/硫五元环及强极性有机溶剂。
[0014]进一步地，强极性有机溶剂是指二甲基亚砜。
[0015]本专利技术提供了一种如上所述的电解液的制备方法。
[0016]进一步地，将碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯按照体积比3:7进行混合，混合后加入1mol六氟磷酸锂，等锂盐完全溶解后，加入2
‑
噻吩叔丁基磺酰胺以得到电解液；其中，2
‑
噻吩叔丁基磺酰胺的质量占所述电解液质量的百分比为1％。
[0017]本专利技术还提供了一种锂电池，所述锂电池包括正极、负极及如上所述的电解液，负极的材料选自石墨、硅负极、硅碳复合电极、钛酸锂中的至少一种。
[0018]进一步地，正极的材料为含有锂的过渡金属氧化物，包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钴锂、NCM及NCA中的至少一种。
[0019]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的电解液及其制备方法与应用主要具有以下有益效果：
[0020]1.本专利技术电解液中的添加剂汇总有S、N、F等元素，能够通过优先于电解液中的其他溶剂组分发生分解反应，在正负极界面形成均匀富含无机物(FEC分解形成的LiF、添加剂分解形成的Li3N、Li
‑
S物质)的界面膜，LiF、Li3N和Li
‑
S物质等属于良性离子导体，同时LiF具有较好的电子绝缘性。
[0021]2.优质的界面层厚度合适而不影响离子传输，但是又足够坚固，能够在电解液、电
极中间起到隔绝作用，从而保证低温(
‑
30℃～0℃)下足够快的界面离子传输特性，还降低了高温(45℃～80℃)条件下容易变剧烈的电解液分解副反应程度，同时正极一侧的金属离子溶出情况也有所改善。
[0022]3.反离子和溶剂分子围绕Li
+
中心形成溶剂化壳，添加剂在电解液中影响了溶剂与Li
+
的相互作用，影响了电极表面电解液各组分分解的优先顺序，从而通过调控溶剂化结构，最终形成具有特殊无机物成分的界面膜，使锂离子电池具有更高的高温容量保持率和低温放电容量。
[0023]4.本专利技术电解液中的添加剂的分解给界面带入新的功能性化学组分，解决现有锂离子电池在高温下电解液分解恶化以及副反应增多、低温下界面动力学缓慢，从而导致锂离子电池高温保持率低、低温下放电容量低的问题，该电解液适用于宽温域(
‑
30℃～80℃)锂离子电池。
附图说明
[0024]图1是本专利技术提供的电池在0.2Ag
‑1电流密度下、不同温度下的循环性能图；
[0025]图2是对比例2和实施例3在55℃下的循环性能图。
具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解液，其特征在于：所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂的结构通式为：其中，R1为氢、碳原子数为1
‑
4的饱和烷基或者碳原子数为1
‑
4的不饱和烷基；R2为氢、氨基或者卤素。2.如权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述添加剂的质量占电解液质量的百分比为0.5％
‑
5.5％。3.如权利要求2所述的电解液，其特征在于：所述添加剂的质量占电解液质量的百分比为1％。4.如权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述锂盐包括四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、双氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的一种或多种。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的电解液，其特征在于：所述有机溶剂选自链状结构和环状结构的碳酸酯类、羧酸酯类，同时也包含含氧/硫五元...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡先罗，蓝希玮，杨珊珊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：