CN102593516B - 阻燃型锂离子电池电解液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
阻燃型锂离子电池电解液及其制备方法,涉及一种电池电解液。提供一类阻燃型锂离子电池电解液及其制备方法,这种电解液具有阻燃甚至完全不燃特性,能够提高电解液对隔膜润湿性,同时又与电极材料兼容性好。阻燃型锂离子电池电解液的原料组成为锂盐5%~20%,溶剂60%~90%,烯基磷酰胺1%~20%。用二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺,或用氢亚磷酸二酯、含烯基的二级胺、四氯化碳和碱为原料,在有机溶剂中反应,制得烯基磷酰胺类化合物;将烯基磷酰胺类化合物与锂盐、溶剂进行配制,即得阻燃型锂离子电池电解液。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池电解液,尤其是涉及一种含烯基磷酰胺类添加剂的阻燃型锂离子电池电解液及其制备方法。
背景技术
自20世纪90年代以来,由日本Sony公司开始实现商品化锂离子电池生产以后,锂离子电池就以其比能量高、能量密度大、自放电小、循环寿命长、环境污染少等优点在许多便携式电子产品市场得到广泛应用,目前更是被开发应用于混合动力车纯电动车动力电源及其智能电网领域。然而,锂离子电池的安全问题仍然是制约其大规模发展和应用的重要因素之一。锂离子电池安全问题的起源之一主要是其使用了可燃性的有机电解液,从而当电池内部累积大量热量或其他滥用状态下,容易产生着火、爆炸等安全问题。因此发展以添加阻燃添加剂的阻燃型电解液体系,进而改善电池的安全性是目前商品化锂离子电池的重要发展趋势。
目前,关于阻燃添加剂的研究主要包括有机磷化合物、卤化物、磷氮复合物、磷卤复合物以及离子液体等,其中尤以磷酸酯和亚磷酸酯类化合物表现出了较好的阻燃性能。这类有机磷化合物具有高含磷量,高介电常数,低粘度,高沸点,低熔点,价格便宜等优点,适于作为锂离子电池电解液阻燃添加剂或共溶剂。但是这类有机磷化合物与石墨碳负极兼容性较差,电解液可燃性的降低通常需要牺牲电池性能为代价。
例如,国内外文献及专利都有报道关于有机磷化合物的制备及其在锂离子电池电解液阻燃剂领域的应用。美国专利US6589697,US6924061报道了磷酸三甲酯(TMP),磷酸三苯酯(TPP),磷酸三丁酯(TBP),三氟乙基磷酸酯(TFFP)等磷酸酯作为电解液添加剂,以降低电解液可燃性。中国专利CN101440105A报道了含有乙氧基单元的磷酸酯的制备方法及其应用,该类磷酸酯化合物具有良好的阻燃性能,热稳定性及良好的电化学性能,可作为二次锂离子电池高安全性电解液阻燃剂。中国专利CN101079504A、CN101079505A、CN101445515A、CN101071863A等报道了采用一种或一种以上磷酸(亚)酯(如甲基磷酸二甲酯,乙基磷酸二乙酯及其衍生物)作为纯溶剂或者溶剂的组分的锂离子电池阻燃电解液。这类磷酸(亚)酯电解液具有价格低廉、不可燃烧性、低毒性、高电导率以及良好的电化学稳定性等特点,但是这类有机磷化合物与石墨碳负极的兼容性较差,需要进一步提高。中国专利CN10193808A报道了含炔基的磷酸酯的阻燃剂,有较好的电化学性能,但其与负极的兼容性仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一类阻燃型锂离子电池电解液及其制备方法,这种电解液具有阻燃甚至完全不燃特性,能够提高电解液对隔膜润湿性,同时又与电极材料兼容性好。
所述阻燃型锂离子电池电解液的原料组成包括锂盐、溶剂和烯基磷酰胺,按质量百分比,锂盐、溶剂和烯基磷酰胺的含量为:锂盐5%~20%,溶剂60%~90%,烯基磷酰胺1%~20%。
所述锂盐可选自LiPF6(六氟磷酸锂),LiBF4(四氟硼酸锂),LiTFSI(三氟化碳磺酸锂),LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)等中的一种。
所述溶剂可选自乙基碳酸酯(EC)、丙基碳酸酯(PC)、二甲基碳酸酯(DMC)、甲基乙基碳酸酯(EMC)等中的至少一种。
所述烯基磷酰胺的结构通式为:
其中,R1=烷基或氟代的烷基或芳基;R2=烷基或氟代的烷基或芳基;R3=碳数为1~10的且含有烯基的有机碳链,R4=烷基或氟代的烷基、芳基或含烯基的有机侧链;所述烯基磷酰胺可选自N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)或N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)等。
所述N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)是烯基磷酰胺中的R1=R2=乙基,R3=R4=烯丙基,其化学结构式如下所示:
所述N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)是烯基磷酰胺中的R1=R2=乙基,R3=烯丙基,R4=甲基,其化学结构式如下所示:
所述阻燃型锂离子电池电解液的制备方法如下:
1)用二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺,或用氢亚磷酸二酯、含烯基的二级胺、四氯化碳和碱为原料,在有机溶剂中反应,制得烯基磷酰胺类化合物,反应式如下:
2)将步骤1)得到的烯基磷酰胺类化合物与锂盐、溶剂进行配制,即得阻燃型锂离子电池电解液。
在步骤1)中,所述二烷氧基磷酰氯指的是R1,R2为含1~5个碳原子的烷基或氟代的烷基或芳基,优选二甲氧基磷酰氯、二三氟乙氧基磷酰氯、二乙氧基磷酰氯、二正丙氧基磷酰氯、二异丙氧基磷酰氯、二苯氧基磷酰氯等中的一种;所述二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺的摩尔比值为0.1~2∶1,优选摩尔比值为1∶1;
所述氢亚磷酸二酯指的是R1,R2为含1~5个碳原子的烷基或氟代的烷基或芳基,优选氢亚磷酸二甲酯、氢亚磷酸二三氟乙酯、氢亚磷酸二乙酯、氢亚磷酸二正丙酯、氢亚磷酸二异丙酯、氢亚磷酸二正丁酯、氢亚磷酸二苯酯等中的一种;所述氢亚磷酸二酯与含烯基的二级胺的摩尔比值为(0.1~2)∶1,优选摩尔比值为1∶1;
所述含烯基的二级胺指的是R3=碳数为1~10的且含有烯基的有机碳链,R4=烷基或氟代的烷基、芳基或含烯基的有机侧链;R3优选乙烯基、烯丙基、1-烯丁基、2-烯丁基、1-烯戊基等中的一种;R4优选甲基、三氟甲基、三氟乙基、乙基、正丙基、异丙基、六氟异丙基、正丁基、异丁基、苯基、烯丙基、1-烯丁基、2-烯丁基、1-烯戊基等中的一种;所述氢亚磷酸二酯或二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺的摩尔比值为(0.1~2)∶1,优选摩尔比值为1∶1;
所述有机溶剂可选自二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、乙腈、二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、N-甲基吗啉、N-甲基吡咯烷酮等中的至少一种,最好为乙腈等非质子性溶剂;
所述碱可为无机碱或有机碱,所述有机碱可选自三甲胺、三乙胺、三正丙胺、三正丁胺等中的一种,所述无机碱可选自碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、氢氧化钠等中的一种;
所述反应的温度可为-20~100℃,所述反应的时间可为0.1~72h;反应的温度优选0℃,反应的时间优选5h。
以下给出本发明所述阻燃型锂离子电池电解液的性能评价方法:
1、阻燃型锂离子电池电解液的电导率测定
用电化学交流阻抗法测定电解液在30℃的电导率,交流阻抗测试在上海辰华仪器公司的CHI608A电化学分析仪上进行,装置为铂双电极体系。测量前,先用0.1mol/LKCl标准溶液对铂双电极体系进行校准,得到电解池常数,之后每种阻燃型锂离子电池电解液均平行测定3次,取平均值。
2、阻燃型锂离子电池电解液的燃烧性能评价
采用自熄时间法(Self-extinguishing time)来测量阻燃型锂离子电池电解液的可燃性。具体步骤是以玻璃纤维棉为原料制成直径约为3~5mm的玻璃棉球,安置在铁丝网上,用注射器分别取出含有不同比例阻燃剂的阻燃型锂离子电池电解液,将阻燃型锂离子电池电解液注入玻璃棉球,迅速点火,点火时间控制在2s,并称出注入前后注射器的质量差,记录点火装置移开后至火焰自动熄灭的时间,该时间被称为自熄时间(Self-extinguishing time,简称SET)。以单位质量阻燃型锂离子电池电解液的自熄时间为标准,比较不同阻燃型锂离子电池电解液的阻燃性能。
3、电池充放电性能评价
组装电池型号为CR2025扣式电池进行电池的充放电测试。使用C作为负极,LiFePO4作为正极,Celgard2400作为隔膜,分别组装成Li/C半电池和Li/LiFePO4半电池,对Li/LiFePO4半电池以0.5C电流倍率,对Li/C半电池以0.2C电流倍率进行恒流充放电测试。
与现有技术相比,本发明具有如下的优点及效果:本发明提供一种含烯基磷酰胺类添加剂的阻燃型锂离子电池电解液,烯基磷酰胺类化合物含磷量高,阻燃效果好。此外,该烯基磷酰胺类分子中具有的烯键能参与固体电解质层(SEI)成膜反应,从而使得本发明的阻燃型锂离子电池电解液与负极有好的相容性,同时部分聚合成膜的共含磷及双键分子本身提高了负极SEI层的热稳定性。该烯基磷酰胺类添加剂的加入使电解液具有良好的阻燃性甚至不燃性,少量的添加剂对电导率也有较大改善,与正负极极片和隔膜的润湿性好,并且用本阻燃型锂离子电池电解液组装的电池具有良好的电化学性能。另外,烯基磷酰胺类化合物合成成本相对低廉,可用于锂离子电池电解液阻燃添加剂或共溶剂,从而提高锂离子电池的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明对含有不同比例的N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)的阻燃型锂离子电池电解液进行电导率测试得到的曲线图。在图1中,横坐标为阻燃剂含量DEDAPAcontent(%),纵坐标为电导率K(mS/cm)。
图2为本发明对含有不同比例的N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)电解液进行阻燃性能测试得到的自熄时间曲线图。在图2中,横坐标为阻燃剂含量DEDAPA content(%),纵坐标为自熄时间t(s/g)。
图3为本发明中添加N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)前后的电解液制成的Li/LiFePO4半电池的前两圈的充放电数据。在图3中,横坐标为充放电比容量SpecificCapacity(mAh/g),纵坐标为电压值Voltage(V);■为LFP-LD120 first cycle,●为LFP-LD120second cycle,▲为LFP-LD120+5%DEDAPA first cycle,为LFP-LD120+5%DEDAPA secondcycle。LD120电解液为不含DEDAPA的商用电解液。
图4为本发明中添加N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)前后的电解液制成的Li/LiFePO4半电池循环65圈循环曲线图。在图4中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capcity(mAh/g);■为LiFePO4-LD120,●为LiFePO4-LD120+5%DEDAPA。
图5为本发明中添加N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)前后的电解液制成的Li/C半电池的前两圈的充放电数据。在图5中,横坐标为充放电比容量SpecificCapcity(mAh/g),纵坐标为电压值Voltage(V);■为C-LD120first cycle,●为C-LD120secondcycle,▲为C-5%DEDAPA first cycle,为C-5%DEDAPA second cycle。
图6为本发明中添加N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)前后的电解液制成的Li/C半电池循环70圈循环曲线图。在图6中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capcity(mAh/g);■为LFP-LD120,●为LFP-5%DEDAPA。
图7为本发明对含有不同比例的N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)电解液进行阻燃性能测试得到的自熄时间曲线图。在图7中,横坐标为阻燃剂含量DEAMPAcontent(%),纵坐标为自熄时间t(s/g)。
图8为本发明中添加N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)前后的电解液制成的Li/LiFePO4半电池的前两圈的充放电数据。在图8中,横坐标为充放电比容量SpecificCapcity(mAh/g),纵坐标为电压值Voltage(V);■为LFP-LD120first cycle,●为LFP-LD120second cycle,▲为LFP-LD120+5%DEAMPA first cycle,为LFP-LD120+5%DEAMPA secondcycle。
图9为本发明中添加N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)前后的电解液制成的Li/LiFePO4半电池循环100圈循环曲线图。在图9中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capcity(mAh/g);■为LFP-LD120,●为LFP-LD120+5%DEAMPA。
图10为本发明中添加N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)前后的电解液制成的Li/C半电池的前两圈的充放电数据。在图10中,横坐标为充放电比容量Specific Capcity(mAh/g),纵坐标为电压值Voltage(V);■为C-LD120first cycle,●为C-LD120second cycle,▲为C-5%DEAMPA first cycle,为C-5%DEAMPA second cycle。
图11为本发明中添加N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)前后的电解液制成的Li/C半电池循环24圈循环曲线图。在图11中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capcity(mAh/g);■为C-LD120,●为C-LD120+5%DEAMPA。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺(DEDAPA)的合成方法:
在250mL三口烧瓶中,将8.63g(50mmol)二乙氧基磷酰氯、8.5mL(60mmol)三乙胺溶解于100mL无水乙腈中,冰浴条件下滴加5.8g(60mmol)二烯丙基胺,室温反应5h,萃取,收集有机相,干燥,减压蒸馏得产品11.2g,收率96%。采用ESI-MS,1HNMR,13C NMR和31P NMR对产物进行表征,结果证实为目标产物。数据如下:
1H NMR(CDCl3,400MHz):δ5.81-5.68(m,2H),5.21-5.12(m,4H),4.12-3.96(m,4H),2.55(d,J=9.6Hz,4H),1.06(t,J=7Hz,6H);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ134.5,117.7,62.1(d,JC-P=6.2Hz),47.6(d,JC-P=4.2Hz),16.1(d,JC-P=7.3Hz);31P NMR(CDCl3,162MHz):δ13.49.ESI-MS:m/z=234[M+H]+;256[M+Na]+.
实施例2
N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)合成方法一:
在250mL三口烧瓶中,将8.63g(50mmol)二乙氧基磷酰氯、8.5mL(60mmol)三乙胺溶解于100mL无水乙腈中,冰浴条件下滴加4.3克(60mmol)甲基烯丙基胺,室温反应5h,萃取,收集有机相,干燥,减压蒸馏得产品9.8g,收率95%。
N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺(DEAMPA)合成方法二:
在250mL三口烧瓶中,将8.63g(50mmol)氢亚磷酸二乙酯、8.5mL(60mmol)三乙胺和4.3克(60mmol)甲基烯丙基胺溶解于80mL乙腈中,冰浴条件下慢慢滴加23g四氯化碳,室温反应5h,萃取,收集有机相,干燥,减压蒸馏得产品9.3g,收率90%。
采用ESI-MS,1H NMR,13C NMR和31P NMR对产物进行表征,结果证实为目标产物。数据如下:
1H NMR(CDCl3,400MHz):δ5.81-5.68(m,1H),5.21-5.12(m,2H),4.12-3.96(m,4H),2.55(d,J=9.6Hz,2H),2.35(d,J=9.6Hz,3H),1.06(t,J=7Hz,6H);13C NMR(CDCl3,100MHz):δ131.3(d,JC-P=9.1Hz),117.1,61.7(d,JC-P=5.4Hz),51.5(d,JC-P=3.7Hz),32.7(d,JC-P=3.8Hz),15.9(d,JC-P=7.1Hz);31P NMR(CDCl3,162MHz):δ13.78.ESI-MS:m/z=208[M+H]+;230[M+Na]+。
由本实施例1、2制得的烯基磷酰胺类化合物可按上述已描述的方法直接用于配制阻燃型锂离子电池电解液。
实施例3
本例中所含烯基磷酰胺是一种结构式如下所示的含磷有机化合物:
即通式中的R1、R2都为乙基,R3、R4为烯丙基,以上化合物命名为N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺,简称DEDAPA。
将锂盐LiPF6溶于溶剂(EC∶DMC=1∶1)和添加剂DEDAPA中,其中按质量百分比LiPF6占10%,DEDAPA含量分别为2.5%,5%,10%,20%,其余为溶剂,电解液分别命名为2.5%DEDAPA,5%DEDAPA,10%DEDAPA,20%DEDAPA;以及DEDAPA占10%,LiPF6为5%,10%,20%,其余为溶剂的电解液,分别命名为DEDAPA-5%LiPF6,DEDAPA-10%LiPF6,DEDAPA-20%LiPF6。
实施例4
为了了解不同含量DEDAPA对电导率的影响,用电化学交流阻抗法测定不同含量DEDAPA电解液在25℃的电导率。电导率结果如图1所示。由图1可知,DEDAPA的加入对电解液电导率有所提高,随加入量继续增加时,电导率略有下降,当加入量达20%时,仍较目前常用电解液的电导率大。
实施例5
采用自熄时间法对实施例3中制得的不同含量DEDAPA的阻燃电解液进行阻燃性能测试,测量结果见图2。由图2可知,随着添加剂含量的增加,电解液的自熄时间急剧缩短,所用电解液的阻燃性能显著提高。例如当DEDAPA的含量为5%时,自熄时间很短,且点燃机率下降,当加入10%及以上含量时,电解液完全不燃。
实施例6
为了了解DEDAPA加入对正负极材料的影响,本例测定实施例3中提供的含5%DEDAPA阻燃型电解液的电池充放电性能,含有DEDAPA的电池的充放电情况如图3~6所示。由图3、图4可知,使用含DEDAPA的阻燃电解液组装的Li/LiFePO4半电池的首圈放电为141mAh/g,循环性能好,说明阻燃电解液与正极材料的匹配性好。由图5、图6可知,使用含DEDAPA的阻燃电解液组装的Li/C半电池在首圈放电过程中有一个成膜的过程,充电容量为330mAh/g,循环性能较好,说明阻燃电解液与负极的匹配性也较好,可以实际应用于商品化电池。
实施例7
本例中烯基磷酰胺是一种结构式如下所示的含磷有机化合物:
即通式中的R1、R2都为乙基,R3为烯丙基,R4为甲基,以上化学物命名为N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺,简称DEAMPA。
将锂盐LiPF6溶于溶剂(EC∶DMC=1∶1)和烯基磷酰胺DEAMPA的混合物中,其中当LiPF6占10%,DEAMPA含量分别为2.5%,5%,10%,20%,其余为溶剂,电解液分别命名为2.5%DEAMPA,5%DEAMPA,10%DEAMPA,20%DEAMPA;以及当DEAMPA占10%,LiPF6为5%,10%,20%,其余为溶剂的电解液,分别命名为DEAMPA-5%LiPF6,DEAMPA-10%LiPF6,DEAMPA-20%LiPF6。
实施例8
采用自熄时间法对实施例7制得的不同含量DEAMPA电解液进行阻燃性能测试,测量结果见图7。由图7可知,随着DEAMPA含量的增加,电解液的自熄时间逐渐减小,阻燃性能不断提高。当DEAMPA含量为10%及以上时,电解液完全不燃,从而形成不燃电解液。
实施例9
为了了解DEAMPA加入对正负极材料的影响,测定了实施例7中提供的5%DEAMPA阻燃型电解液的电池充放电性能,电池的充放电性能如图8~11所示。由图8、图9可知,用该阻燃电解液组装的Li/LiFePO4半电池的首圈放电比容量为142mAh/g,具有很好的循环性能,说明其与正极的匹配性好。由图10、图11可知,使用含有DEAMPA的阻燃电解液组装的Li/C半电池首圈充电容量是275mAh/g,活化后的容量约为320mAh,有较好的循环性能,可见其与负极的匹配性也较好,说明阻燃电解液与正负极材料匹配性良好。
Claims (5)
1.阻燃型锂离子电池电解液,其特征在于其原料组成包括锂盐、溶剂和烯基磷酰胺,按质量百分比,锂盐、溶剂和烯基磷酰胺的含量为:锂盐5%~20%,溶剂60%~90%,烯基磷酰胺1%~20%;
所述烯基磷酰胺选自N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺或N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺;
所述N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺的化学结构式如下所示:
所述N-甲基-N-烯丙基二乙氧基磷酰胺的化学结构式如下所示:
所述锂盐选自六氟磷酸锂,四氟硼酸锂,三氟化碳磺酸锂,双氟磺酰亚胺锂中的一种。
2.如权利要求1所述的阻燃型锂离子电池电解液,其特征在于所述溶剂选自乙基碳酸酯、丙基碳酸酯、二甲基碳酸酯、甲基乙基碳酸酯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的阻燃型锂离子电池电解液的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)用二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺,或用氢亚磷酸二酯、含烯基的二级胺、四氯化碳和碱为原料,在有机溶剂中反应,制得烯基磷酰胺类化合物;
所述二烷氧基磷酰氯与含烯基的二级胺的摩尔比值为1∶1;
所述氢亚磷酸二酯与含烯基的二级胺的摩尔比值为1∶1;
所述二烷氧基磷酰氯为二乙氧基磷酰氯;
所述氢亚磷酸二酯为氢亚磷酸二乙酯;
2)将步骤1)得到的烯基磷酰胺类化合物与锂盐、溶剂进行配制,即得阻燃型锂离子电池电解液。
4.如权利要求3所述的阻燃型锂离子电池电解液的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述有机溶剂选自二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯、乙腈、二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮、N-甲基吗啉、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种;所述碱为无机碱或有机碱,所述有机碱选自三甲胺、三乙胺、三正丙胺、三正丁胺中的一种,所述无机碱选自碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的一种;所述反应的温度为-20~100℃,所述反应的时间为0.1~72h。
5.如权利要求4所述的阻燃型锂离子电池电解液的制备方法,其特征在于所述有机溶剂为乙腈;所述反应的温度为0℃,反应的时间为5h。
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