CN102516307B - 磷腈类阻燃剂及其制备方法和锂离子电池电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷腈类阻燃剂及其制备方法,该磷腈类阻燃剂由氟碳醇与六氯环三磷腈反应得到。由于磷腈类阻燃剂同时含有P和N两种元素,阻燃效果更为明显;由于Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团,氟碳基团的存在有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度,因此,该磷腈类阻燃剂的黏度适中,具有良好的系统相容性。另外,该阻燃剂侧链上O-P键通过同时连接在环链P基上形成的“V”穴,有利于吸引金属阳离子远离相应的阴离子和阳离子的迁移,提高电解液的电导率。本发明还提供一种锂离子电池电解液,包括电解质盐、溶剂和磷腈类阻燃剂。实验结果表明,本发明提供的锂离子电池电解液导电性良好。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,更具体地说,涉及一种锂离子电解液用磷腈类阻燃剂及其制备方法和使用该阻燃剂的锂离子电池电解液。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、使用温度范围宽、循环寿命长、环保、无记忆效应以及可以大电流充放电等特点,被广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机等高能便携式电子设备中,同时在新能源汽车、航空航天、国防装备等领域有着广阔的应用前景。然而,安全性是制约大容量和高功率锂离子电池发展的关键问题,例如,锂离子电池电解液广泛以有机碳酸酯,如碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯等(DMC)等作为溶剂,该电解液在具有卓越的电化学性能的同时存在闪点较低和易燃等缺点,使得锂离子电池在过充及过热等极端条件下极易着火燃烧甚至发生爆炸。
针对锂离子电池存在的安全问题,研究人员采用各种方法对其进行改善,如对正负极材料进行改性、使用电池安全保护装置及在电解液中加入添加剂等。近年来,发展阻燃性电解液成为解决锂离子电池安全性的主要措施之一,在电解液中使用阻燃剂或采用氟碳溶剂是发展阻燃性电解液的两种主要途径。其中,广泛采用的阻燃剂包括磷酸酯、亚磷酸酯、卤代磷酸酯、卤代羧酸酯及卤代醚类化合物等。申请号为200710028419.8的中国专利文献报道了烷基磷酸酯在锂离子电池电解液中的应用,由于烷基磷酸酯的电化学兼容性较差,因此,其作为添加剂使用时对电池的性能造成较大的负面影响。中国专利文献CN101694885A公开了含有一种乙撑双邻苯二甲酰亚胺衍生物阻燃剂的电解液,该电解液阻燃性能较好,但电池的循环性能不佳。申请号为201010109084.4和200810146523.1的中国专利文献分别报道了以不饱和磺酸内酯及氟碳表面活性剂作为阻燃剂的锂离子电池用电解液。中国专利文献CN101938008A报道了一种1-炔基膦酸脂阻燃剂的制备及含有该阻燃剂的电解液,该电解液具有良好的阻燃性能,但电池容量损失严重。
近年来,研究人员发现磷腈化合物具有较好的阻燃效果,可以用于锂离子电池的阻燃剂,但是,磷腈化合物的黏度较大,系统相容性较差,从而作为阻燃剂使用时,使电解液电导率较低,影响锂离子电池的电化学性能。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种磷腈类阻燃剂及其制备方法和锂离子电池电解液,该磷腈类阻燃剂黏度适中,具有良好的系统相容性,含该磷腈类阻燃剂的锂离子电池电解液导电性良好。
为了解决以上技术问题,本发明提供一种磷腈类阻燃剂,通式如式I所示,
式I,
其中,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团。
优选的,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6各自独立为氟碳基团或碳氢链基团。
优选的,所述氟碳基团为H(CF2CF2)n1CH2-、F(CF2CF2)n2CH2CH2-或CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2-,其中,1≤n1≤15,1≤n2≤15,1≤n3≤15。
优选的,所述碳氢链基团为甲基、乙基、丙基、乙二醇单甲醚或二乙二醇单甲醚。
相应的,本发明还提供一种磷腈类阻燃剂的制备方法,包括以下步骤:
将氟碳醇与六氯环三磷腈反应,得到磷腈类阻燃剂。
优选的,所述氟碳醇为式II、式III或式IV所示的化合物,
H(CF2CF2)n1CH2OH
式II
F(CF2CF2)n2CH2CH2OH
式III
CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2OH
式IV
其中,1≤n1≤15,1≤n2≤15,1≤n3≤15。
相应的,本发明还提供一种锂离子电池电解液,包括电解质盐、溶剂和上述技术方案所述的磷腈类阻燃剂。
优选的,所述磷腈类阻燃剂的质量浓度为1~15%。
优选的,所述电解质盐包括LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiAlCl4、LiBF2C2O4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB(CF3)F3、LiCH3SO3、LiB(C2O4)2、LiPF3(CF2CF3)3、LiB(C2F5)F3、LiCl、LiI和LiC(CF3SO2)2中的一种或几种。
优选的,锂离子浓度为0.5~2mol/L。
本发明提供一种磷腈类阻燃剂及其制备方法,该磷腈类阻燃剂由氟碳醇与六氯环三磷腈反应制备得到。与磷酸酯类阻燃剂相比,由于本发明提供的磷腈类阻燃剂同时含有P和N两种元素,从而阻燃效果更为明显。更重要的是,由于Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团,氟碳基团的存在有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度,因此,该磷腈类阻燃剂的黏度适中,具有良好的系统相容性。另外,该阻燃剂侧链上O-P键通过同时连接在环链P基上形成的“V”穴,有利于吸引金属阳离子远离相应的阴离子,并有利于阳离子的迁移,从而提高电解液的电导率。
本发明同时提供了一种锂离子电池电解液,包括电解质盐、溶剂和上述技术方案所述的磷腈类阻燃剂。由于该磷腈类阻燃剂含有氟碳基团,该氟碳基团的存在有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度,从而提高了电解液的电导率。另外,该阻燃剂侧链上O-P键通过同时连接在环链P基上形成的“V”穴,有利于吸引金属阳离子远离相应的阴离子,并有利于阳离子的迁移,从而提高电解液的电导率。实验结果表明,本发明提供的锂离子电池电解液导电性良好。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种磷腈类阻燃剂,通式如式I所示,
式I,
其中,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团;优选的,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6各自独立为氟碳基团或碳氢链基团,所述氟碳基团优选为H(CF2CF2)n1CH2-、F(CF2CF2)n2CH2CH2-或CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2-,其中,1≤n1≤15,1≤n2≤15,1≤n3≤15;所述碳氢链基团包括但不限于甲基、乙基、丙基、乙二醇单甲醚或二乙二醇单甲醚。
与磷酸酯类阻燃剂相比,由于本发明提供的通式如式I所示的磷腈类阻燃剂同时含有P和N两种元素,从而阻燃效果更为明显。更重要的是,由于Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团,氟碳基团的存在有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度,因此,该磷腈类阻燃剂的黏度适中,具有良好的系统相容性。另外,该通式如式I所示的磷腈类阻燃剂侧链上O-P键通过同时连接在环链P基上形成的“V”穴,有利于吸引金属阳离子远离相应的阴离子,并有利于阳离子的迁移,从而提高电解液的电导率。
作为优选,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6各自独立为氟碳基团或碳氢链基团。在通式如式I所示的磷腈类阻燃剂中氟碳基团和碳氢链基团同时存在时,可以解决阻燃性和相容性这一相互矛盾的问题。另外,在Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中多个取代基为氟碳基团时,使磷腈类阻燃剂的氟含量更高,从而阻燃性更好。不仅如此,所述通式如式I所示的磷腈类阻燃剂中含有多个取代基,即Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6,该多个取代基团提供分子设计的灵活性,可以最大限度的优化产品性能。
相应的,本发明还提供一种磷腈类阻燃剂的制备方法,包括以下步骤:
将氟碳醇与六氯环三磷腈反应,得到磷腈类阻燃剂,所述氟碳醇优选为式II、式III或式IV所示的化合物。其中式II和式III所示的氟碳醇由四氟乙烯调聚获得(俗称调聚醇),已经商业化,如四氟丙醇(TFP)、八氟戊醇(OFP)或杜邦公司的Zonyl Telomer BA系列产品;式IV所示的化合物可以采用市购的产品,也可以根据本发明提供的方法制备。
H(CF2CF2)n1CH2OH
式II
F(CF2CF2)n2CH2CH2OH
式III
CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2OH
式IV
其中,1≤n1≤15,1≤n2≤15,1≤n3≤15。
六氯环三磷腈的结构如式V所示,
式V。
上述氟碳醇中,式II和式III所示的氟碳醇由四氟乙烯调聚获得(俗称调聚醇),已经商业化,如四氟丙醇(TFP)、八氟戊醇(OFP)或杜邦公司的Zonyl Telomer BA系列产品;式IV所示的化合物为HFPO齐聚物醇,可以采用市购的产品,也可以根据本发明提供的方法制备。式II、式III或式IV所示的化合物与式V所示的六氯环三磷腈反应后,得到磷腈类阻燃剂。
由于本发明以氟碳醇为原料,制备得到的磷腈类阻燃剂同时含有P和N两种元素,从而与磷酸酯类阻燃剂相比,阻燃效果更为明显。并且,形成的磷腈类阻燃剂中存在的氟碳基团,有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度。因此,该磷腈类阻燃剂的黏度适中,具有良好的系统相容性。
上述技术方案所述的磷腈类阻燃剂既起到了很好的阻燃性能,又提高了电池的电化学性能,可用于锂离子电池、电容器等化学组件。不仅如此,本发明涉及的制备方法简单、高效,具有较好的经济价值。
相应的,本发明还提供一种锂离子电池电解液,包括电解质盐、溶剂和上述技术方案所述的磷腈类阻燃剂。在该锂离子电池电解液中,所述磷腈类阻燃剂的质量浓度优选为1~15%,更优选为1~10%,更优选为1~5%。所述电解质盐优选包括LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiAlCl4、LiBF2C2O4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB(CF3)F3、LiCH3SO3、LiB(C2O4)2、LiPF3(CF2CF3)3、LiB(C2F5)F3、LiCl、LiI和LiC(CF3SO2)2中的一种或几种。
此外,所述锂离子电池电解液还优选包括非氟类溶剂和/或氟碳表面活性剂,所述非氟类溶剂包括但不限于碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯乙烯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸亚乙酯。在本发明中,所述锂离子浓度优选为0.5~2.0mol/L,更优选为0.8~1.5mol/L,更优选为1~1.5mol/L。其中,锂离子浓度过低则锂离子电解液的电导率将下降,导致反复充放电效率恶化;锂离子浓度大于上述范围,电解液的黏度升高,锂离子电池电解液的电导率下降。
由于所述锂离子电池电解液包括上述技术方案所述的磷腈类阻燃剂,该磷腈类阻燃剂含有氟碳基团,氟碳基团的存在有利于增加电解液的闪点并降低电解液的黏度,从而提高了电解液的电导率。另外,该阻燃剂侧链上O-P键通过同时连接在环链P基上形成的“V”穴,有利于吸引金属阳离子远离相应的阴离子,并有利于阳离子的迁移,从而提高电解液的电导率。
为了进一步说明本发明的技术方案,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例采用的化学试剂均为市购或按照本领域技术人员熟知的方法制备后直接使用。
实施例1氟碳醇结构为H(CF2CF2)n1CH2OH,其中1≤n1≤15。
取9.3g(0.165mol)KOH、18.5ml去离子水加入三口烧瓶中,开启搅拌、加热,滴加0.165mol四氟丙醇和38.3ml二甲苯的混合溶液,反应液由澄清变为乳白色浑浊,加热至回流反应1h后分水,大约分水19ml反应液变为黄棕色,滴加8.7g(0.025mol)三聚磷腈和60ml二甲苯的混合溶液,在回流状态下回流反应50h。将上述得到的反应液倒入烧杯中,水洗至中性,加入20g无水Na2SO4干燥,抽滤,减压浓缩,得到红棕色液体粗产品21.88g,再进行高真空蒸馏(0.5mmHg)纯化得到磷腈类阻燃剂16.37g,纯度99.2%,收率71.1%。
实施例2氟碳醇结构为F(CF2CF2)n2CH2CH2OH,其中n2=1≤n2≤15。
取9.3g(0.165mol)KOH、18.5ml去离子水加入三口烧瓶中,开启搅拌、加热,滴加0.165mol F(CF2CF2)n2CH2CH2OH(n2=3)和60ml二甲苯的混合溶液,反应液由澄清变为乳白色浑浊,加热至回流反应1h后分水,大约分水19ml反应液变为黄棕色,滴加8.7g(0.025mol)三聚磷腈和60ml二甲苯的混合溶液,在回流状态下回流反应55h。将上述得到的反应液倒入烧杯中,水洗至中性,加入20g无水Na2SO4干燥,抽滤,减压浓缩,得到红棕色液体粗产品48.8g;然后进行高真空蒸馏纯化(0.2mmHg)得到无色透明液体即磷腈类阻燃剂,41.0g,纯度98.9%,收率70.9%。
实施例3氟碳醇结构为CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2OH,其中1≤n3≤15,此类醇为HFPO齐聚物衍生产品。其合成步骤如下:
1、合成全氟聚醚酰基氟(PFPE-COF)
在一个装有搅拌器的三口烧瓶中加入50g氟化铯、80ml四乙二醇二甲醚,搅拌30min,接着在充分搅拌和压力下通入130g六氟环氧丙烷(HFPO),维持温度35℃,反应6h得到液态催化剂。
在一个装有搅拌器的5立升钢高压釜中加入上述制备的液态催化剂的一半,然后在不断通入HFPO气体的同时,缓慢滴加上述制备的另外一半液体催化剂,内部温度通过外部冷却控制在35℃,保持HFPO通入流量为2L/min,温度通过外部冷却控制在35℃持续3h,反应40h后得到全氟聚醚酰基氟,产品为乳白色粘稠液,略有气味。
2、全氟聚醚酰基氟还原成醇(PFPE-CH2OH)
取上述全氟聚醚酰基氟200g,加入200mlF113和250ml甲醇和2g碳酸钾,加热回流反应5h,加入200ml水洗取有机相,除去溶剂和水分得到油状物PFPE-COOCH3;在氮气保护下,加入250ml THF,3.8g LiAlH4,滴加128gPFPE-COOCH3,反应温度控制在45℃以下,搅拌反应4h;酸化,水洗,去除溶剂和水分得到产物171.5g,产率85.79%;将上述产品通过精馏获得结构为CF3CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2OH的成分,备用。
3、与三聚磷腈反应得到最终产品
取9.3g(0.165mol)KOH、18.5ml去离子水加入三口烧瓶中,开启搅拌、加热,滴加0.165mol上述步骤制备的低分子量馏分CF3CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CH2OH和80ml二甲苯、30ml F113的混合溶液,反应液由澄清变为乳白色浑浊,加热至回流反应1h后分水,大约分水19ml反应液变为黄棕色,滴加8.7g(0.025mol)三聚磷腈和60ml二甲苯的混合溶液,在回流状态下回流反应50h;
将上述得到的反应液倒入烧杯中,水洗至中性,加入20g无水Na2SO4干燥,抽滤,减压浓缩去除溶剂,得到红棕色液体粗产品61.7g,再进行高真空蒸馏纯化(0.02mmHg)得到磷腈类阻燃剂,无色透明液体52.1g,纯度99.3%收率69.01%。
实施例4锂离子电池电解液的制备
将碳酸二甲酯乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)按1∶1∶1的体积比混合,加入锂离子浓度为1mol/L六氟磷酸锂,按照电解液总质量计算添加5%的实施例1制备的磷腈类阻燃剂,在25℃充分搅拌,调制得到锂离子电池电解液。
实施例5锂离子电池电解液的制备
将碳酸二甲酯乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)按1∶1∶1的体积比混合,加入锂离子浓度为1mol/L六氟磷酸锂,按照电解液总质量计算添加5%的实施例2制备的磷腈类阻燃剂,在25℃充分搅拌,调制得到锂离子电池电解液。
实施例6锂离子电池电解液的制备
将碳酸二甲酯乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)按1∶1∶1的体积比混合,加入锂离子浓度为1mol/L六氟磷酸锂,按照电解液总质量计算添加5%的实施例3制备的磷腈类阻燃剂,在25℃充分搅拌,调制得到锂离子电池电解液。
比较例1锂离子电池电解液的制备
将碳酸二甲酯乙烯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)按1∶1∶1的体积比混合,加入1mol/L六氟磷酸锂,在25℃充分搅拌,调制得到锂离子电池电解液。
通过电解液相溶性实验、自熄性实验、黏度检测以及电导率检测,证明本发明提供的含氟磷腈类阻燃剂的锂离子电池电解液具有良好的相溶性、阻燃性及导电性能。其具体实施步骤如下:
相溶性实验:
将溶剂与电解质盐调制形成非水系电解液,搅拌,于25℃下静置5小时,观察电解液状态,结果如表1所示。
电解液自熄性实验:
采用自熄法来检测锂离子电池电解液的阻燃性能,即参照文献J.Electrochem.Soc.,2002,149(5),A622-A626.所述。其具体操作如下:将质量为m1,直径为0.3cm的玻璃棉球浸泡在待测锂离子电池电解液中,待充分浸湿后称出其质量m2。将该玻璃棉球放置于“O”型铁丝圈中,用点火装置点燃,记录从点火装置移开到火焰熄灭自动的时间T。通过单位质量电解液的自熄时间T’作为衡量电解液也阻燃性能的标准,其计算公式为:T’=T/(m2-m1)。本次样品测量的T’取三次测量的平均值,结果如表1所示。
黏度检测:
溶液黏度使用Brookfield旋转黏度计,在-20℃、60rpm下测量。所采用的转子的测量范围是1-150mPa.sec,结果如表1所示。
电导率检测:
采用Cond 7400实验台式电导率测试仪在25℃下,对实施例4-6和对比例1所制备的电解液进行电导率测试,结果如表1所示。
表1实施例和比较例制备的锂离子电池电解液的性能结果
由表1可以看出,本发明制备的磷腈类阻燃剂的黏度适中,与电解液有机溶剂具有良好的相溶性,同时,添加本发明阻燃剂的电解液与未加阻燃剂的比较例相比较,自熄时间明显缩短,说明本发明的阻燃剂具有优良的阻燃性能,且其电导率明显优于普通电解液。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种磷腈类阻燃剂,通式如式Ⅰ所示,
其中,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6各自独立为氟碳基团或碳氢链基团;Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6中至少一个为氟碳基团;所述氟碳基团为CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2-,其中,1≤n3≤15。
2.根据权利要求1所述的磷腈类阻燃剂,其特征在于,所述碳氢链基团为甲基、乙基或丙基。
3.一种磷腈类阻燃剂的制备方法,包括以下步骤:
将氟碳醇与六氯环三磷腈反应,得到式I所示的磷腈类阻燃剂;所述氟碳醇为式Ⅳ所示的化合物,
CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2OH
式Ⅳ
其中,Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5和Rf6各自独立为氟碳基团;所述氟碳基团为CF3CF2CF2O(CF(CF3)CF2O)n3CF(CF3)CH2-,其中,1≤n3≤15。
4.一种锂离子电池电解液,包括电解质盐、溶剂和权利要求1~2任意一项所述的磷腈类阻燃剂。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池电解液,其特征在于,所述磷腈类阻燃剂的质量浓度为1~15%。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池电解液,所述电解质盐包括LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiAlCl4、LiBF2C2O4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB(CF3)F3、LiCH3SO3、LiB(C2O4)2、LiPF3(CF2CF3)3、LiB(C2F5)F3、LiCl和LiI中的一种或几种。
7.根据权利要求4所述的锂离子电池电解液,其特征在于,锂离子浓度为0.5~2mol/L。
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