发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于非水电解液的稳定剂及含有该稳定剂的非水电解液,这种稳定剂能够防止非水电解液酸度过高并防止非水电解液被氧化变色,使非水电解液保持稳定。采用的技术方案如下:
一种含有稳定剂的非水电解液,其特征在于所述非水电解液含有:有机溶剂85~90%(重量),锂盐8~14%(重量),稳定剂0.1~5%(重量);
所述稳定剂由亚磷酸酯类化合物和胺类化合物组成;
所述亚磷酸酯类化合物是通式(1)或(2)表示的化合物中的一种或其中多种的混合物:
其中R1、R2、R3为C1~C15烷基、芳香基或氢原子,但R1、R2和R3不能同时为氢原子;
其中R4、R5、R7、R8为C1~C15烷基、芳香基或氢原子,但R4、R5、R7和R8不能同时为氢原子;R6为C1~C15的亚烷基或其衍生物(例如醇类、酸类等);
所述胺类化合物是通式(3)表示的化合物中的一种或其中多种的混合物:
其中R9、R10、R11为C1~C10烷基、硅烷基、芳香基或氢原子,但R9、R10和R11不能同时为氢原子。
优选上述稳定剂的组成为:亚磷酸酯类化合物10~90%(重量),胺类化合物10~90%(重量)。
通式(1)中,R1、R2、R3可以相同,也可以不同;通式(2)中,R4、R5、R7和R8可以相同,也可以不同;通式(3)中,R9、R10和R11可以相同,也可以不同。
优选上述硅烷基是通式(4)表示的基团中的一种:
其中R12、R13、R14为C1~C5烷基、芳香基或氢原子(即R12、为C1~C5烷基、芳香基或氢原子,R13为C1~C5烷基、芳香基或氢原子,R14为C1~C5烷基、芳香基或氢原子)。R12、R13、R14可以相同,也可以不同。
当上述稳定剂的组成为亚磷酸酯类化合物10~90%(重量)和胺类化合物10~90%(重量)时,亚磷酸酯类化合物的含量为非水电解液总量的0.01~4.5%(重量),胺类化合物的含量为非水电解液总量的0.01~4.5%(重量)。
上述有机溶剂可选自碳酸酯类化合物、亚硫酸酯类化合物、γ-丁内酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、四氢吡喃、二氧戊环、1,2-二甲氧基乙烷、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、乙腈、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜和二甲基砜中的一种或其中多种的混合物。
上述碳酸酯类化合物是碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、1,2-二甲基碳酸乙烯酯,碳酸乙丁酯、碳酸甲丁酯、碳酸二丁酯、氯代碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸二丙酯、碳酸二异丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸乙异丙酯和碳酸甲异丙酯中的一种或其中多种的混合物。
上述亚硫酸酯类化合物是亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸二甲酯和亚硫酸二乙酯中的一种或其中多种的混合物。
上述锂盐作为非水电解液中的电解质,优选上述锂盐的全部或其中一部分是六氟磷酸锂(LiPF6),也就是说,上述锂盐是六氟磷酸锂,或者是六氟磷酸锂与其它锂盐(如六氟砷酸锂(LiAsF6)、双乙二酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二(三氟甲基磺酸)亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)、三(三氟甲基磺酰)甲基锂(LiC(CF3SO2)3)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟锑酸锂(LiSbF6)和LiC4F9SO3等本领域技术人员所熟知的所有可用于锂离子电池的电解质锂盐中的一种或多种)的混合物。
上述稳定剂可采用下述方法制备:按所需配比称取亚磷酸酯类化合物和胺类化合物,然后将亚磷酸酯类化合物和胺类化合物加入到容器(例如烧杯、锥型瓶等)中,并进行搅拌或振荡,使亚磷酸酯类化合物和胺类化合物混合均匀,即可得到稳定剂。以上原料(亚磷酸酯类化合物和胺类化合物)的加入顺序没有任何限定,可以先加入亚磷酸酯类化合物,也可以先加入胺类化合物。
上述非水电解液可采用下述方法制备:按所需配比称取有机溶剂、 锂盐和稳定剂,然后将有机溶剂、锂盐和稳定剂加入到容器(例如烧杯、锥型瓶等)中,并进行搅拌或振荡,使锂盐完全溶解,并使各种原料(即有机溶剂、锂盐和稳定剂)均匀混合,即可得到非水电解液。以上各种原料的加入没有顺序限制,可以先加有机溶剂,也可以先加锂盐或稳定剂。
另外,在含有上述有机溶剂、锂盐和稳定剂的基础上,上述非水电解液还可含有本领域技术人员所熟知的各类添加剂(例如二甲亚砜、12-冠-4醚等)。
本发明提供的稳定剂中,亚磷酸酯类化合物作为抗氧化剂,胺类化合物作为控制HF含量和抑制LiPF6分解的稳定剂;亚磷酸酯类化合物能够优先被氧化,可以起到保护非水电解液中其它有效成分的作用;胺类化合物能够捕抓非水电解液中的活性质子(即H+),可以抑制LiPF6的分解并降低电解液的HF含量。亚磷酸酯类化合物和胺类化合物配合使用,能够防止非水电解液酸度过高,并防止非水电解液被氧化变色,能够很好地起到稳定非水电解液的作用,因此含有这种稳定剂的非水电解液能够长时间保持稳定。
具体实施方式
实施例1
制备稳定剂:在通有干燥气体(如空气、氮气或氩气,其水分含量小于20PPM)的手套箱中,分别用电子天平准确称量4.5克亚磷酸三甲酯和0.5克1,1,3,3-四甲基-1,3-二苯基二硅胺烷,然后将上述4.5克亚磷酸三甲酯和0.5克1,1,3,3-四甲基-1,3-二苯基二硅胺烷加入(上述两种物质的加入顺序没有限制)第一个干燥的容器(可用锥型瓶)中,并进行搅拌或振荡,使上述两种物质混合均匀,制得5克稳定剂。制得的稳定剂由90%(重量)的亚磷酸三甲酯和10%(重量)的1,1,3,3-四甲基-1,3-二苯基二硅胺烷组成。
制备非水电解液:在通有干燥气体(如空气、氮气或氩气,其水分含量小于20PPM)的手套箱中,分别用电子天平准确称量8克六氟磷酸锂、40克碳酸二甲酯、30克碳酸乙烯酯、17克γ-丁内酯和5克上述制得的稳定剂,然后将上述8克六氟磷酸锂、40克碳酸二甲酯、 30克碳酸乙烯酯、17克γ-丁内酯和5克稳定剂加入(上述各种物质的加入顺序没有限制)第二个干燥的容器(可用锥型瓶)中,然后进行搅拌或振荡,使六氟磷酸锂完全溶解,并使上述各种原料(即六氟磷酸锂、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、γ-丁内酯和稳定剂)均匀混合,制得100克非水电解液。制得的非水电解液中含有:87%(重量)的有机溶剂(碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和γ-丁内酯)、8%(重量)的锂盐(六氟磷酸锂)和5%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
另外,向第三个干燥的容器(可用锥型瓶)加入8克六氟磷酸锂、40克碳酸二甲酯、30克碳酸乙烯酯和17克γ-丁内酯,然后进行搅拌或振荡,使六氟磷酸锂完全溶解,并使上述各种原料(即六氟磷酸锂、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和γ-丁内酯)混合均匀,制得95克非水电解液,作为对照组。
将上述含稳定剂的电解液(即第二个干燥的容器中的电解液,表1中用B表示)和对照组电解液(即第三个干燥的容器中的电解液,表1中用A表示)分别封装后置于50℃下恒温保存5天、10天、20天、35天、60天后,分别对比两电解液的是否变色以及酸度的变化。电解液酸度(以HF算)的测定是以KOH作为滴定剂,以乙醇作为溶剂,通过电位滴定仪进行滴定,计算出HF的含量;色度的测定则根据GB3143-1982液体化学产品颜色测定方法(Hazen单位—铂-钴色号)进行测定。测定结果如表1所示。
实施例2
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸二丁酯2.1克、七甲基二硅胺烷0.9克,制得3克稳定剂。制得的稳定剂由70%(重量)的亚磷酸二丁酯和30%(重量)的七甲基二硅胺烷组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯20克、乙酸乙酯50克、碳酸甲乙酯17克、六氟磷酸锂10克、上述稳定剂3克。制得的非水电解液中含有:87%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、乙酸乙酯和碳酸甲乙酯)、10%(重量)的锂盐(六氟磷酸锂)和3%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
另外,将20克碳酸乙烯酯、50克乙酸乙酯、17克碳酸甲乙酯和10克六氟磷酸锂混合均匀,并使六氟磷酸锂完全溶解,制得97克非水电解液,作为对照组。
对上述含稳定剂的电解液(表1中用B表示)和对照组电解液(表1中用A表示)的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例3
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸三乙酯0.4克、N,N-二甲基三甲基硅胺烷0.6克,制得1克稳定剂。制得的稳定剂由40%(重量)的亚磷酸三乙酯和60%(重量)的N,N-二甲基三甲基硅胺烷组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、碳酸二甲酯30克、N,N-二甲基甲酰胺25克、六氟磷酸锂14克、上述稳定剂1克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和N,N-二甲基甲酰胺)、14%(重量)的锂盐(六氟磷酸锂)和1%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
另外,将30克碳酸乙烯酯、30克碳酸二甲酯、25克N,N-二甲基甲酰胺和14克六氟磷酸锂混合均匀,并使六氟磷酸锂完全溶解,制得99克非水电解液,作为对照组。
对上述含稳定剂的电解液(表1中用B表示)和对照组电解液(表1中用A表示)的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例4
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为四苯基二丙二醇二亚磷酸酯0.01克、N,N-二甲基三甲基硅胺烷0.09克,制得0.1克稳定剂。制得的稳定剂由10%(重量)的四苯基二丙二醇二亚磷酸酯和90%(重量)的N,N-二甲基三甲基硅胺烷组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、碳酸二甲酯30克、碳酸二乙酯27.9克、六氟磷酸锂12克、上述稳定剂0.1克。制得的非水电解液中含有:87.9%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)、12%(重量)的锂盐(六氟磷酸锂)和0.1%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
另外,将30克碳酸乙烯酯、30克碳酸二甲酯、27.9克碳酸二乙酯和12克六氟磷酸锂混合均匀,并使六氟磷酸锂完全溶解,制得99.9克非水电解液,作为对照组。
对上述含稳定剂的电解液(表1中用B表示)和对照组电解液(表1中用A表示)的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例5
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸三甲酯0.2克、乙醇胺0.8克,制得1克稳定剂。制得的稳定剂由20%(重量)的亚磷酸三甲酯和80%(重量)的乙醇胺组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、亚硫酸丙烯酯33克、四氢呋喃26.5克、LiPF66克、LiAsF63.5克和上述稳定剂1克。制得的非水电解液中含有:89.5%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和四氢呋喃)、9.5%(重量)的锂盐(LiPF6和LiAsF6)和1%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
对上述含稳定剂的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例6
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸二丁酯0.8克、乙胺1.2克,制得2克稳定剂。制得的稳定剂由40%(重量)的亚磷酸二丁酯和60%(重量)的乙胺组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯40克、1,2-二甲氧基乙烷20克、二乙二醇二甲醚26克、LiPF69克、LiBOB3克和上述稳定剂2克。制得的非水电解液中含有:86%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、1,2-二甲氧基乙烷和二乙二醇二甲醚)、12%(重量)的锂盐(LiPF6和LiBOB)和2%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
对上述含稳定剂的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例7
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸三乙酯1.8克和苯胺1.2克,制得3克稳定剂。制得的稳定剂由60%(重量)的亚磷酸三乙酯和40%(重量)的苯胺组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、环丁砜30克、乙腈25克、LiPF68克、LiBF44克和上述稳定剂3克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、环丁砜和乙腈)、12%(重量)的锂盐(LiPF6和LiBF4)和3%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
对上述含稳定剂的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例8
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为四苯基二丙二醇二亚磷酸酯4克和七甲基二硅胺烷1克,制得5克稳定剂。制得的稳定剂由80%(重量)的四苯基二丙二醇二亚磷酸酯和20%(重量)的七甲基二硅胺烷组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯40克、丙酮25克、二氧戊环20克、LiPF68克、Li(CF3SO2)2N2克和上述稳定剂5克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、丙酮和二氧戊环)、10%(重量)的锂盐(LiPF68克和Li(CF3SO2)2N)和5%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
对上述含稳定剂的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
实施例9
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备稳定剂:所用原料为亚磷酸三异辛酯1克和乙醇胺1克,制得2克稳定剂。制得的稳定剂由50%(重量)的亚磷酸三异辛酯和50%(重量)的乙醇胺组成。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯26克、碳酸二甲酯25克、碳酸甲乙酯34克、二甲亚砜4克、LiPF67克、Li(CF3SO2)2N2克和上述稳定剂2克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯)、4%(重量)的添加剂(二甲亚砜)、9%(重量)的锂盐(LiPF67克和Li(CF3SO2)2N2克)和2%(重量)的稳定剂。
批量生产时按上述配比配备各种原料。
对上述含稳定剂的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
对比例1
本对比例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、碳酸二甲酯30克、碳酸甲乙酯25克、LiPF611克和亚磷酸二丁酯4克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯)、11%(重量)的锂盐(LiPF611克)和4%(重量)的亚磷酸酯类化合物(亚磷酸二丁酯)。
本对比例的非水电解液不含胺类化合物。
对上述含亚磷酸酯类化合物的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
对比例2
本实施例制备稳定剂及非水电解液的方法步骤与实施例1相同,而所用原料及其配比不同。
制备非水电解液:所用原料为碳酸乙烯酯30克、碳酸二甲酯30克、碳酸甲乙酯25克、LiPF611克和乙胺4克。制得的非水电解液中含有:85%(重量)的有机溶剂(碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯)、11%(重量)的锂盐(LiPF611克)和4%(重量)的乙胺。
本对比例的非水电解液不含亚磷酸酯类化合物。
对上述含胺类化合物的电解液的酸度及色度的测定方法与实施例1相同,测定结果如表1所示。
表1
含有由亚磷酸酯类化合物和胺类化合物组成的稳定剂的非水电解 液能够长时间保持较低的酸度和色度;而不含上述稳定剂的非水电解液经过一段时间后,其酸度和色度明显增大。这意味着由亚磷酸酯类化合物和胺类化合物组成的稳定剂能够有效防止非水电解液酸度过高,并防止非水电解液被氧化变色。
对比例1的非水电解液含亚磷酸酯类化合物,而不含胺类化合物,这种非水电解液能够长时间保持较低的色度,但经过一段时间后,其酸度明显增高。
对比例2的非水电解液含胺类化合物,而不含亚磷酸酯类化合物,这种非水电解液能够长时间保持较低的酸度,但经过一段时间后,其色度明显增高。