一种热响应的宽温域电解质、电解质制备方法及电池技术

本发明专利技术涉及一种热响应的宽温域电解质，宽温域电解质为液态，电解质体系由锂盐、有机溶剂和添加剂组成；添加剂由聚合物单体和引发剂组成；当宽温域电解质温度升高时，宽温域电解质原位聚合形成凝胶电解质。将含有该添加剂的电解液体系用于锂电池，满足25℃～120℃较宽温度范围内的放电需求，能在热失控临界温度下热聚合，电解质体系快速凝胶化。同时，含有该添加剂的电解液对锂电池的正常充放电性能无显著影响，满足钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂和硫体系电芯的正常使用。此外，电解质的制备方法简单，原料易得，将本发明专利技术热响应的宽温域电解质用于构建锂金属电池、锂离子电池和硅负极电池，可有效拓宽电池的工作温度，提高电池的安全性。提高电池的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种热响应的宽温域电解质、电解质制备方法及电池
专利

[0001]本专利技术涉及锂电池，尤其涉及一种热响应的宽温域电解质、电解质制备方法及电池。

技术介绍

[0002]目前，电子设备和电动汽车的快速发展加剧了对高能量密度锂电池的需求。一般而言，通过提高电池的工作温度，可以加速固体和液体的扩散，有利于提高电池的倍率性能。然而，随着工作温度的升高，高活性的电解质成分在高温下容易过度反应，导致电池失效。电解质组分热稳定性差，会导致电解质在高温下发生热解。此外，高温下溶剂的沸点和闪点也是影响电解质可用性的重要因素。另一方面，在高温下，电解质与电极之间的表面化学钝化会受到抑制，界面化学反应加剧，导致界面膜和电池的稳定性变差。高温操作也会加速电池的老化，使电池容量迅速衰减。此外，电池放电过程通常是放热的，高温会加剧放电过程。结果，反应放出更多的热量，使温度进一步升高，形成恶性循环。最后，电池发生热失控导致火灾甚至爆炸。
[0003]因此，针对如何解决热响应的宽温域电解质及其制备方法与应用，研究人员提出了多种解决策略：
[0004]通过高浓度或局部高浓度电解质显著降低溶剂挥发性，增强电解质热稳定性(J.Mater.Chem.A,2022,10,9001)。电解质设计是规避电池热安全风险的最便捷的策略之一。然而，高度易燃的液体有机电解质存在巨大的安全隐患(例如火灾和爆炸)，严重阻碍了下一代高能锂电池的进一步实际应用。
[0005]通过引入不易燃的磷酸酯类溶剂或阻燃添加剂来增强锂电池的安全性(ACS Appl.Mater.Interfaces,2022,14,48694；ACS Appl.Energy Mater.2022,5,5742)。然而，该体系是以牺牲电池电化学性能为代价，以此提升锂电池的安全性能。
[0006]通过设计高热稳定性和高杨氏模量的固态聚合物电解质来解决锂电池的枝晶生长和安全问题(Nat.Commun.2023,14,2301)；然而，固体聚合物电解质的最大挑战是在环境温度下离子电导率低，限制了锂电池在环境温度下的应用。
[0007]通过电解液配方的筛选在锂金属的表面形成稳定的固液界面层(专利号：CN105870502A)。构建稳定的固液界面层是减少室温下持续反应的显著策略，然而，由于固液界面层的热分解，该策略在高温下失效。此外，电解质和电极之间的界面反应在高温下非常活跃，较难控制。因此，对高温副反应控制的研究远远难于室温下的副反应控制。
[0008]通过优化电解液组分，匹配不同酯类溶剂，改善界面膜性质，来满足锂离子电池
‑
40℃～55℃较宽温度范围内的放电需求(专利号：CN112331917A)。
[0009]然而，有机碳酸酯混合溶剂的闪点低于30℃，是高度易燃和有挥发性的，在高温、过充、短路等情况下，会引起电池内部温度升高，电解质挥发导致电池内部压力增加；此外，可燃性有机碳酸酯电解质存在严重的寄生反应和巨大的安全隐患，在实现锂电池宽温域运行的同时，未能很好地平衡电池的安全性能。
[0010]近期，有研究人员发现，热响应凝胶电解质可以在电极材料内部形成良好的离子传输网络，降低界面阻抗，提高电池的综合性能，为下一代高能量密度和高安全性锂电池的发展提供新的思路(专利号：CN115377489A)。
[0011]但是，目前已报道的热响应电解质体系热聚合后，迅速切断离子传输，停止电池工作，在提升锂电池安全性的同时，不能满足锂电池宽温域的放电需求。
[0012]本专利技术专利致力于制备一种热响应的宽温域电解质，满足锂电池25℃～120℃较宽温度范围内的放电需求。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可解决上述问题的能够平衡锂电池室温电化学性能和高温安全性能的一种热响应的宽温域电解质、宽温域电解质制备方法及应用宽温域电解质的电池。
[0014]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方法是：本专利技术公开了一种热响应的宽温域电解质，其中宽温域电解质为液态，电解质体系由锂盐、有机溶剂和添加剂组成；所述添加剂由聚合物单体和引发剂组成；当所述宽温域电解质温度升高时，所述宽温域电解质原位聚合形成凝胶电解质；所述有机溶剂为酯类或醚类。
[0015]进一步的，当温度升高至120℃时，所述宽温域电解质聚合转变为凝胶电解质。
[0016]进一步的，所述电解液有机溶剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、1,3
‑
二氧戊环中的一种或者几种。
[0017]进一步的，所述锂盐为六氟磷酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、双草酸硼酸锂、氟丙二酸(二氟)硼酸锂、(氟磺酰基)(九氟丁烷磺酰基)酰亚胺锂中的一种或几种，所述锂盐浓度为1.0
‑
5.0mol/L。
[0018]进一步的，所述聚合物单体包括1,1'
‑
(亚甲基
‑
4,1
‑
苯基)双马来酰亚胺、甲基丙烯酸苄基酯、甲基丙烯酸甲酯、碳酸亚乙烯酯、苯乙烯中的一种或几种，所述聚合物单体质量分数为2.0wt.％
‑
4.0wt.％；
[0019]所述引发剂包括偶氮二异丁腈、碘化锂、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰中的一种，所述引发剂质量分数为0.02wt.％
‑
0.1wt.％。
[0020]进一步的，电解质体系水含量小于20ppm。
[0021]本专利技术还公开了一种热响应的宽温域电解质制备方法，在惰性氩气气氛中，将上述任一所述热响应的宽温域电解质中的锂盐、有机溶剂和添加剂混合均匀，获得所述宽温域电解质。
[0022]本专利技术还公开了一种电池，电池使用电解液为上述任一所述热响应的宽温域电解质或所述热响应的宽温域电解质制备方法制备的热响应的宽温域电解质。
[0023]进一步的，包括硅负极电池、锂离子或锂金属电池。
[0024]进一步的，所述电池的电芯包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂和硫中任一体系。
[0025]本专利技术相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：
[0026]1.相较于
技术介绍
提到的专利CN115377489A，一种用于锂离子电池的宽温域电解
质制备方法，本专利设计的热响应电解质室温为液态，具有高离子电导率。当温度升高时，原位聚合形成凝胶电解质；本申请独有的优点是能够满足80℃
‑
120℃的锂离子或锂金属全电池放电需求；此外，本专利技术能够很好地平衡锂电池室温电化学性能和高温安全性能。
[0027]2.区别于传统的人工固液界面层，在含有该添加剂的体系下能够在负极表面形成富含无机组分的固体电解质界面层以及在高温下形成聚合物保护层。
[0028]3.聚合物保护层的存在，最大限度减少锂电池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热响应的宽温域电解质，其特征在于：宽温域电解质为液态，电解质体系由锂盐、有机溶剂和添加剂组成；所述添加剂由聚合物单体和引发剂组成；当所述宽温域电解质温度升高时，所述宽温域电解质原位聚合形成凝胶电解质；所述有机溶剂为酯类或醚类。2.根据权利要求1所述热响应的宽温域电解质，其特征在于：当温度升高至120
o
C时，所述宽温域电解质聚合转变为凝胶电解质。3.根据权利要求1所述热响应的宽温域电解质，其特征在于：所述电解液有机溶剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、碳酸甲乙酯、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、1,3
‑
二氧戊环中的一种或者几种。4.根据权利要求3所述热响应的宽温域电解质，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双(氟磺酰基)亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、双草酸硼酸锂、氟丙二酸(二氟)硼酸锂、(氟磺酰基)(九氟丁烷磺酰基)酰亚胺锂中的一种或几种，所述锂盐浓度为1.0
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5.0mol/L。5.根据权利要求4所述热响应的宽温域电解质，其特征在于：所述聚合物单体包括1,1'
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(亚甲基
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：程新兵，郭嘉欣，姜丰，吴宇平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：