CN104900879A - 一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用 - Google Patents

一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用，由以下浓度的组份组成：0.001-2mol/L的钠盐，碳酸酯类和/或醚类有机溶剂，质量分数为0.1-50％的阻燃添加剂和0-0.5mol/L的其他功能添加剂。所述的阻燃型钠离子电池电解液在钠一次电池、钠二次电池以及钠离子电池中得到应用。含有磺酰氟基团化合物具有良好的阻燃性能，并且对电化学性能影响很小，可以作为新型电解液阻燃添加剂；通过在电解质溶液中添加阻燃添加剂，能降低电解液的可燃性能。含有磷腈基团化合物具有良好的阻燃性能，并且对电化学性能影响很小，可以作为新型电解液阻燃添加剂；通过在电解质溶液中添加阻燃添加剂，能降低电解液的可燃性能。将电解液应用于钠电池后，可以将电解液的燃烧可能性降为零。

Description

一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，便携式电子设备日益普及，对于高比能量电池的需求逐年增加。钠电池具有价格低廉、与锂相近高电压、低自放电率以及高能量密度等显著优点,有希望逐步取代锂电池，并不断扩展应用领域和市场份额。
然而，钠电池存在的安全性隐患一直是我们关心的首要问题。由于钠电池使用的电解液为易燃的碳酸酯(醚)的混合溶剂体系，当在过充，短路或在受热等条件下，电池可能发生起火，燃烧或爆炸,进而引发安全事故。
为了改善锂电池的安全性，美国专利US6589697,US6924061和US6589697报道了以磷酸三甲酯(TMP)，磷酸三苯酯(TPP)，磷酸三丁酯(TBP)，三氟乙基磷酸酯(TFFP)等磷酸酯或氟代醚或者酯作为电解液添加剂，以降低电解液的可燃性。但是对于钠电池阻燃电解液的研究却非常的少，因此，研发新型高阻燃性和电化学兼容性好的钠离子电池电解质溶液很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻燃型钠离子电池电解液及其应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种阻燃型钠离子电池电解液，该电解液由以下浓度的组份组成：0.001-2mol/L的钠盐，碳酸酯类有机溶剂和/或醚类有机溶剂，质量分数为0.1-50％的阻燃添加剂和0-0.5mol/L的其他功能添加剂。
优选的，所述的阻燃添加剂的结构通式如II所示：
其中，R1-R6均可以为烷基、烷氧基、卤代烷基、卤代烷氧基、卤代烯烃基、苯基、联苯基、卤代苯基、卤代联苯、烷基硅、烷氧基硅、烷基磷酸酯、烷氧基硼或酰胺基，其中：卤代为部分取代或全取代。
优选的，所述阻燃添加剂的结构通式中取代基的卤素为F。
优选的，所述阻燃添加剂的结构式如III所示：
优选的，所述钠盐为NaBF4、NaPF6、NaN(SO2CF3)2、NaFSI、NaBOB或NaSO3CF3中的一种或多种的混合物。
优选的，所述碳酸酯类有机溶剂为环状碳酸酯类化合物和/或链状碳酸酯类化合物。
优选的，所述的环状碳酸酯类化合物为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、γ-丁内酯(GBL)或碳酸亚丁酯(BC)中的一种或几种的混合物。
优选的，所述的链状碳酸酯类化合物为碳数为3-8的直链或支链脂肪单醇与碳酸合成的碳酸酯衍生物、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)或碳酸甲基乙基酯(EMC)中的一种或多种的混合物。
优选的，所述的醚类有机溶剂为四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃(2-Methyl-THF)、1，3-二氧环戊烷(DOL)、二甲氧基甲烷(DMM)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)或二甘醇二甲醚(dimethyl carbitol)中的一种或多种的混合物。
优选的，所述其他功能添加剂为联苯(BP)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1、3-丙磺酸内酯(PS)、1、4-丁磺酸内酯(BS)、1、3-(1-丙烯)磺内酯(PST)、亚硫酸乙烯酯(ESI)、硫酸乙烯酯(ESA)、环己基苯(CHB)、叔丁基苯(TBB)，叔戊基苯(TPB)或丁二氰(SN)中的一种或多种的混合物。
优选的，所述阻燃型钠离子电池电解液的制备方法为：
将阻燃添加剂除水后溶解在有机溶剂中，然后在无水无氧的环境中将钠盐加入含有阻燃添加剂和其他功能添加剂的溶剂中，配成不同浓度的电解液。钠盐应该是缓缓加入含有阻燃添加剂和其他功能添加剂的溶剂中，防止过热使溶剂沸腾。
优选的，所述除水的是用4A钠分子筛除水40-55小时完成的。
所述的阻燃型钠离子电池电解液在钠一次电池、钠二次电池以及钠离子电池中的应用。
本发明的有益技术效果为：
1、含有磷腈基团化合物具有良好的阻燃性能，并且对电化学性能影响很小，可以作为新型电解液阻燃添加剂；
2、通过在电解质溶液中添加阻燃添加剂，能降低电解液的可燃性能。将本发明的电解液应用于钠电池后，可以将电解液的燃烧可能性降为零。
3、此电解液具有低粘度、低毒以及较宽的电化学窗口和温度范围，同时具有高效阻燃效果；采用这种电解液的钠电池不仅具有良好的电化学性能，且安全性大幅提高，具有更广的应用市场。
附图说明
图1中，a是锰酸钠在空白1M NaPF6EC/DEC电解液中第1，第2，第50周的充放电曲线，b是锰酸钠在含有5％三氟乙基无氟磷腈的1M NaPF6EC/DEC电解液的第1第2和第50周的充放电图，c是锰酸钠在含有5％三氟乙基无氟磷腈和空白1M NaPF6EC/DEC电解液中的循环性能的对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
甲氧基五氟环三磷腈的制备过程：
乙氧基五氯环三磷腈在200g乙腈中，不断搅拌下加入105g NaF，在80℃温度条件下，进行5小时的氟化反应后，蒸馏得到甲氧基五氟环三磷腈。
实施例2
1-丙氧基-五氟环三磷腈的制备过程：
将8g六氟环三磷腈在90ml氯苯中，不断搅拌下加入催化剂氯化铁、1.6克丙醇钠，在80℃温度条件下，反应4h，进行减压蒸馏，精制后得到磷腈衍生物：1-丙氧基-五氟环三磷腈。
实施例3
六苯氧基环三磷腈的制备过程：
将34.8g六氯环三磷腈晶体，己烷置于带有搅拌器、温度计、回馏冷凝管的500ml三颈瓶中，搅拌至溶解均匀，70℃温度条件下与50g苯酚钠反应5小时，进行蒸馏，精制得到磷腈衍生物：六苯氧基环三磷腈。
实施例4
三乙酰丁醇-三乙氧基环三磷腈的制备过程：
将34.8g六氯环三磷腈晶体，己烷置于带有搅拌器、温度计、回馏冷凝管的500ml三颈瓶中，搅拌至溶解均匀，70℃温度条件下与90g乙酰丁醇钠反应5小时，然后与20g乙醇钠在100乙烷中反应5小时，进行蒸馏，精制得到磷腈衍生物：三乙酰丁醇-三乙氧基环三磷腈。
电解液的制备过程：
将阻燃添加剂除水后溶解在有机溶剂中，然后在无水无氧的环境中将钠盐加入含有阻燃添加剂和其他功能添加剂的溶剂中，配成不同浓度的电解液。钠盐应该是缓缓加入含有阻燃添加剂和其他功能添加剂的溶剂中，防止过热使溶剂沸腾。
表1中列举了24种阻燃型电解质溶液的成份组成以及各电解质溶液自熄时间的测试数据。
表1
如表1所示，在含有1mol/L的NaPF6的体积比1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯的电解液中加入5％的三氟乙氧基五氟磷腈电解液可以达到完全不可燃。采用含有阻燃剂的三氟乙氧基五氟磷腈的电解液，不仅可以改善钠锰电池的安全性，而且对电池的循环性能影响不大，甚至可以提高电池的循环性。如图1所示，在含有5％磷腈的电解液中，锰酸电池循环50周后的容量保持率好于没有添加磷腈的电池。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种阻燃型钠离子电池电解液，其特征在于：由以下浓度的组份组成：0.001-2mol/L的钠盐，碳酸酯类和/或醚类有机溶剂，质量分数为0.1-50％的阻燃添加剂和0-0.5mol/L的其他功能添加剂。
2.根据权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述的阻燃添加剂的结构通式如I所示：
其中，R1-R6均可以为烷基、烷氧基、卤代烷基、卤代烷氧基、卤代烯烃基、苯基、联苯基、卤代苯基、卤代联苯、烷基硅、烷氧基硅、烷基磷酸酯、烷氧基硼或酰胺基，其中：卤代为部分取代或全取代。
3.根据权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述阻燃添加剂的结构式如II所示：
4.根据权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述钠盐为NaBF4、NaPF6、NaN(SO2CF3)2、NaFSI、NaBOB或NaSO3CF3中的一种或多种的混合物。
5.根据权利要求2所述的电池电解液，其特征在于：所述碳酸酯类有机溶剂为环状碳酸酯类化合物和/或链状碳酸酯类化合物。
6.根据权利要求5所述的电池电解液，其特征在于：所述的环状碳酸酯类化合物为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯或碳酸亚丁酯中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求6所述的电池电解液，其特征在于：所述的链状碳酸酯类化合物为碳数为3-8的直链或支链脂肪单醇与碳酸合成的碳酸酯衍生物、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯或碳酸甲基乙基酯中的一种或多种的混合物。
8.根据权利要求2所述的电池电解液，其特征在于：所述的醚类有机溶剂为四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1，3-二氧环戊烷、二甲氧基甲烷、1，2-二甲氧基乙烷或二甘醇二甲醚中的一种或多种的混合物。
9.根据权利要求2所述的电池电解液，其特征在于：所述其他功能添加剂为联苯碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、1、3-丙磺酸内酯、1、4-丁磺酸内酯、1、3-(1-丙烯)磺内酯(PST)、亚硫酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、环己基苯、叔丁基苯，叔戊基苯或丁二氰中的一种或多种的混合物。
10.根据权利要求1-9任一所述的阻燃型钠离子电池电解液在钠一次电池、钠二次电池以及钠离子电池中的应用。
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