氟化酰胺类化合物用于制备电解液的用途制造技术

本发明专利技术涉及氟化酰胺类化合物用于制备电解液的用途、包含氟化酰胺类化合物的电解液及包含所述电解液的电池。所述氟化酰胺类化合物作为溶剂用于制备电解液，在电池中能够促进正极、负极界面的保护膜的形成，显著拓宽电解液的电化学稳定窗口，极大地提升电池的电化学性能。同时，氟化酰胺类化合物具有廉价和低毒的优势，同时还具有阻燃的功能，提高电池的安全性。此外，使用氟化酰胺基溶剂可以不用或者少用LiPF6锂盐，从而有效降低电解液的成本。总之将氟化酰胺类化合物作为溶剂发展新型电解液，有望取代传统LiPF6/EC基电解液，降低成本，提高性能，促进锂电池的实用化。促进锂电池的实用化。

【技术实现步骤摘要】
氟化酰胺类化合物用于制备电解液的用途


[0001]本专利技术属于电解液
，具体涉及氟化酰胺类化合物作为溶剂用于制备电解液的用途、包含氟化酰胺类化合物的电解液及包含所述电解液的电池。

技术介绍

[0002]锂电池自商业化以来广泛应用于便携式电子设备、电动工具、新能源汽车等领域，给人们的生活和出行带来了极大的便利。电解液作为锂离子传输的载体，与正负极直接相连，影响电极
‑
电解液界面稳定性，是决定锂电池性能的关键组分。
[0003]传统锂电池电解液通常以六氟磷酸锂(LiPF6)作为锂盐，高介电常数的环状碳酸乙烯酯(EC)为溶剂，碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等链状碳酸酯为混合溶剂，配制成锂盐摩尔浓度1～1.5mol/L的电解液。该电解液中EC能够在石墨负极上产生性能良好的钝化膜阻止电解液与石墨负极的进一步反应，从而提高电池的循环性能；LiPF6能够与正极Al集流体反应产生致密的AlF3从而抑制铝腐蚀；链状碳酸酯能够降低电解液的粘度、拓宽电解液的工作温度。基于上述特点，低浓度LiPF6/EC基电解液已成功商业化。
[0004]然而，由于锂盐、主溶剂和共溶剂均承担着重要的作用，商业化电解液成分调变的空间十分有限，该组成已三十年未发生重大改变。随着电池性能的要求不断提高，该电解液所具有的诸多问题限制其在锂电领域的进一步应用，如
①
LiPF6占据电解液成本的70％，其对铝集流体的保护作用难以被其他廉价锂盐取代，导致电解液成本下降空间有限；<br/>②
LiPF6热稳定性差、易与微量水反应，极大限制了电池的工作温度和使用环境；
③
溶剂易燃易挥发，容易造成燃烧、爆炸等安全问题；
④
电压高于4.3V时电解液发生自分解，无法匹配高电压正极；
⑤
形成的固态电解质界面膜(SEI)以有机产物为主，机械强度较差，无法抵抗容量更高的锂金属、硅碳等负极的体积膨胀。
[0005]近几年人们通过引入特定添加剂(如氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯和亚硫酸亚乙酯等)、使用全氟溶剂和调变溶液结构(如高浓度电解液(Nature Energy.2018,3,22
‑
29；Nature Communications.2016,7,12032；)、局域高浓度电解液(Adv.Energy Mater.2019,9,1900784；Chem.2018,4,1877
‑
1892；)等策略在正负两极表面构建良好的保护膜，一定程度上提高了电池的性能。然而，
①
单一添加剂的功能有限，通常需要加入多种价格昂贵的添加剂才能实现正负两极成膜，复杂的电解液体系既增加成本又会产生一些无法预料的问题；
②
通过溶液结构的调控诱导阴离子成膜能够改善界面性能，然而高浓度电解液成本高昂、粘度大，局域高浓度电解液缺乏廉价稀释剂，不利于实用化。因此，开发廉价、正负极成膜性能优异的电解液体系对锂电池的规模化应用具有重要意义。
[0006]酰胺化合物具有便宜、低毒、稳定的优点，分子结构中具有给电子基团和得电子基团，能够溶解锂盐形成一定浓度的电解液。然而，单一的酰胺基团电化学稳定窗口窄，且难以在正负极表面产生稳定致密的保护膜，导致电池性能尚不及现有商业的LiPF6/EC基电解液。当前电解液的研究很少使用这类溶剂。

技术实现思路

[0007]基于现有技术的不足，本专利技术人经过系统性考察，意外发现在电解液中使用氟化酰胺类化合物在低盐浓度条件下便能同时在正极和负极表面形成良好的保护膜，为研发廉价高性能电解液创造了条件。本专利技术人发现，将酰胺类化合物氟化处理后，氟化基团能够与酰胺基团共同作用，一起促进正极、负极界面的保护膜的形成，显著拓宽了电解液的电化学稳定窗口，从而极大地提升电池的电化学性能。同时，氟化酰胺类化合物作为溶剂相比于此前报道的昂贵氢氟醚和高毒性氟化碳酸酯等溶剂，具有廉价和低毒的优势。另外，氟和氮元素还具有阻燃的功能，优选后可获得非可燃电解液，提高电池的安全性。使用氟化酰胺基溶剂可以不用或者少用LiPF6锂盐，使得电解液摆脱了对LiPF6锂盐的依赖，也无需提高锂盐浓度，从而有效降低电解液的成本。综合以上特点，将氟化酰胺类化合物作为溶剂发展新型电解液，有望取代传统LiPF6/EC基电解液，降低成本，提高性能，促进锂电池的实用化。
[0008]本专利技术的一个目的是提供氟化酰胺类化合物作为溶剂在制备电解液或电池中的用途。
[0009]本专利技术的另一个目的是提供一种电解液，其含有氟化酰胺类化合物作为溶剂。
[0010]本专利技术的再一个目的是提供一种电池，其含有上述电解液。
[0011]本专利技术的目的通过下述技术方案实现。
[0012]本专利技术一方面提供氟化酰胺类化合物作为溶剂用于制备电解液或电池的用途。所述氟化酰胺类化合物作为溶剂用于制备电解液，在电池中能够促进正极、负极界面的保护膜的形成，显著拓宽电解液的电化学稳定窗口，极大地提升电池的电化学性能，因此还可以起到促进保护膜形成的作用。
[0013]本专利技术中，氟化酰胺类化合物指的是分子中含有酰胺基团(
‑
C(＝O)
‑
N
‑
)的化合物上的氢被一个或多个氟取代得到的化合物。
[0014]在实施方式中，所述氟化酰胺类化合物可以选自下面的式I、式II和式III所示的化合物：
[0015][0016]式I中，R1、R2和R3各自独立地选自氢、R4‑
P
‑
R5、R4‑
N
‑
R5、O
‑
R4、Si
‑
R4；
[0017]R4、R5和R6在每次出现时各自独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1‑
C
10
烷基、取代或未取代的C2‑
C
10
烯基、取代或未取代的C6
‑
C10芳基、取代或未取代的5
‑
10元杂芳基、取代或未取代的酰胺基和取代或未取代的磺酰基；
[0018]条件是，R1、R2和R3中至少有一个是含氟基团；
[0019][0020]式II中，R7和R8在每次出现时各自独立地选自CR
10
R
11
、SiR
10
R
11
、N
‑
R
11
和氧和硫，R9、R
10
和R
11
相同或不同的选自氢、卤素、取代或未取代的C1‑
C
10
烷基、取代或未取代的C2‑
C
10
烯基、取代或未取代的C6
‑
C10芳基、取代或未取代的5
‑
10元杂芳基、取代或未取代的酰胺基和取代或未取代的磺酰基；
[0021]p为1
‑
10的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氟化酰胺类化合物作为溶剂用于制备电解液或电池的用途，其中，所述氟化酰胺类化合物指的是分子中含有
‑
C(＝O)
‑
N
‑
基团的化合物上的氢被一个或多个氟取代得到的化合物。2.权利要求1所述的用途，其中，所述氟化酰胺类化合物选自下面的式I、式II和式III所示的化合物：式I中，R1、R2和R3各自独立地选自氢、R4‑
P
‑
R5、R4‑
N
‑
R5、OR4、Si
‑
R4；R4、R5和R6在每次出现时各自独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1‑
C
10
烷基、取代或未取代的C2‑
C
10
烯基、取代或未取代的C6
‑
C10芳基、取代或未取代的5
‑
10元杂芳基、取代或未取代的酰胺基和取代或未取代的磺酰基；条件是，R1、R2和R3中至少有一个是含氟基团；式II中，R7和R8在每次出现时各自独立地选自CR
10
R
11
、SiR
10
R
11
、N
‑
R
11
和氧和硫，R9、R
10
和R
11
相同或不同的选自氢、卤素、取代或未取代的C1‑
C
10
烷基、取代或未取代的C2‑
C
10
烯基、取代或未取代的C6
‑
C10芳基、取代或未取代的5
‑
10元杂芳基、取代或未取代的酰胺基和取代或未取代的磺酰基；p为1
‑
10的整数，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；条件是，R7、R8和R9中至少有一个是含氟基团；式III中，R
12
和R
13
各自独立地选自取代或未取代的C1‑
C
10
亚烷基、取代或未取代的C2‑
C
10
亚烯基、取代或未取代的C6
‑
C10亚芳基、取代或未取代的5
‑
10元亚杂芳基。Y为
‑
C(＝O)
‑
NH
‑
或
‑
NH
‑
C(＝O)，q为1
‑
100000的整数，条件是，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建辉，方明明，陈君儿，刘磊，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：