CN106374141A - 一种基于酮基溶剂的低温电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学研究领域，具体提供一种基于酮基溶剂的低温电解液。该低温电解液，以酮类及其衍生物有机溶剂作为溶剂，以锂盐、钠盐或者季铵盐作为溶质，还包含添加剂。部分酮类及其衍生物具有很低的熔点，在‑70℃的低温环境中依然为液态。本发明提供的低温电解液，与传统电解液相比，在较低温度（‑70℃）下仍表现出较高的离子电导率。将本发明提供的电解液应用到锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及混合型超级电容器上，体系在低温下表现出优异的比容量、循环性能和功率性能。

Description

一种基于酮基溶剂的低温电解液
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种适用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及混合型超级电容器的低温电解液。
背景技术
自二次电池商业化以来，电池性能如能量密度、功率密度、大倍率放电性能、循环性能等方面都取得了显著的提升。随着新材料和新技术的不断研究和开发，电池在越来越多的领域得到了广泛的应用。同时，电池对应用环境的适应能力较差的问题也日渐突出。如锂离子电池在低温环境下的充放电性能较差，低于-20℃时多数电池仅能放出其额定容量的60— 80%，-30 — -40℃时仅能放出其额定容量的30%或更少，而在更低温度如-40 — -60℃时，电池几乎无法放电。电池低温性能不足已成为其应用发展的主要技术瓶颈之一，因此，提高电池的低温性能是拓展其使用范围的急需解决的问题。
影响电池的低温性能有诸多因素，包括电池的结构设计、电解液、电极材料的颗粒大小和导电性、导电剂、粘结剂、隔膜的孔径、制作工艺等。研究表明，电池在零摄氏度以下性能下降主要表现在有效容量的下降和放电电压平台的下降，这与电解液的离子电导率、电极与电解液界面的阻抗、电荷传递阻抗以及锂离子的扩散速度等因素有关。近年来，许多研究人员开展了大量的研究工作。其中，改善电解液的溶剂组成被认为能够有效提高电解液的低温电导率，从而提高电池的低温性能。电解液是具有离子导电性的溶液，为化学电池以及电容器的正常工作提供离子，是电池和电容器体系的重要组成部分。电解液主要由溶剂、电解质和添加剂三部分组成，溶剂通常为有机物或者水，电解质为有机盐或者无机盐，添加剂包括抗氧化剂和稳定剂等。理想的电解液需要具备如下特点：1]高的电导率(10-3 Scm-1)；2]较高的分解电压；3] 宽的温度范围；4] 电解液本身对电极材料是惰性的，不与电解材料发生化学或者电化学反应；5] 对环境污染小。电解液的种类不同，其低温性能不同，主要是不同的电解液其电导率不同从而影响低温条件下离子的导电能力。受有机溶剂凝固点的影响，温度越低越接近电解液中有机物质的凝固点，导致电解液在低温下呈半凝固状态，离子在电解液中的迁移受阻，所以电池的低温性能下降。目前电池电解液常用的有机溶剂为碳酸酯类，尽管其具备电导率高、与电极相容性好等优点，然而，低温下（≤-20℃），部分碳酸酯溶剂因熔点高等不足使电解液电导率骤然下降。因此，开发熔点低、在宽温度范围内有较高的离子电导率的电解液是优化电池低温性能的重要方向。
本发明中提供一种低温电解液，该电解液以丙酮等酮类及其衍生物作为溶剂。丙酮等酮类有机溶剂为极性非质子溶剂，含有C=O极性基团，能够有效地溶解锂盐。同时酮类有机溶剂具有熔点低、粘度小、介电常数高、氧化还原稳定性好、价格低廉等优点，特别适合应用在锂离子电池低温电解液领域以改善锂离子电池低温性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温电解液，可用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及混合型超级电容器。该电解液以酮类及其衍生物有机溶剂作为溶剂，具有熔点低、粘度小、在低温环境中有较高的离子电导率等优点，能够改善电池和电容器的低温性能。
本发明提供的低温电解液，是基于酮基溶剂的，即以酮类及其衍生物有机溶剂作为溶剂，替代传统的碳酸酯类溶剂，以锂盐、钠盐或者季铵盐作为溶质，添加剂。
本发明中，所述的酮类及其衍生物有机溶剂，选自丙酮、丁酮、3-甲基-2-丁酮、甲基异丁酮、环丁酮、戊酮、环戊酮、己酮、环己酮、庚酮、辛酮、壬酮及它们的同分异构体和衍生物，上述酮类中含有氧原子的官能团或者被卤原子、硝基、氰基、羧基、磺酸基取代所形成的基团中的一种或几种。其中，卤原子为F、Cl或Br。
本发明中，所述锂盐选自有机锂盐和无机锂盐，具体选自三氟甲基磺酸锂、双（三氟甲基磺酰）亚胺锂、三（三氟甲基磺酰）甲基锂、双（氟磺酰）亚胺锂、双乙二酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、LiN(SO2RF)2、LiN(SO2F)(SO2RF)（其中RF= -CnF2n+1，n=1~10）、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、六氟合砷(V)酸锂、氯化锂、氟化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、硝酸锂、碳酸锂、草酸锂、甲酸锂、乙酸锂中的一种或几种。
本发明中，所述的钠盐选自有机钠盐和无机钠盐，具体选自三氟甲基磺酸钠、双（三氟甲基磺酰）亚胺钠、三（三氟甲基磺酰）甲基钠、双（氟磺酰）亚胺钠、双乙二酸硼酸钠、二氟草酸硼酸钠、NaN(SO2RF)2、NaN(SO2F)(SO2RF)（其中RF= -CnF2n+1，n=1~10）、高氯酸钠、四氟硼酸钠、六氟磷酸钠、六氟合砷(V)酸钠、氯化钠、氟化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、草酸钠、甲酸钠、乙酸钠中的一种或几种。
本发明中，所述锂盐、钠盐或季铵盐的浓度为0.1~10 mol/L。
本发明中，所述添加剂选自烷基季铵根离子、碳酸酯类化合物、磷酸酯类化合物、硼酸酯类化合物、亚硫酸酯类化合物、磺酸内酯类化合物中的一种或多种。
本发明中，所述添加剂的含量为电解液的质量分数的0.1% ~ 15%。
本发明提供的低温电解液，适用于锂离子电池、钠离子电池、超级电容器和混合型超级电容器。
本发明中，使用该低温电解液的锂离子电池，其正极材料选自能够可逆脱嵌锂离子的嵌入化合物或有机聚合物分子为电极活性物质材料，所述嵌入化合物选自：过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti。或者上述嵌入化合物的金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Li、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种；其负极材料选自嵌入化合物和有机聚合物分子，所述嵌入化合物选自NASICON结构化合物，或者过渡金属氧化物、焦磷酸化合物、硫化物、或者层状结构化合物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti，以及这类物质的表面包覆壳层或者上述化合物的其他金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Li、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种。
本发明中，使用该低温电解液的钠离子电池，其正极材料选自能够可逆脱嵌钠离子的嵌入化合物或有机聚合物分子为电极活性物质材料，所述嵌入化合物选自：过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti。或者上述嵌入化合物的金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Na、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种；其负极材料选自嵌入化合物和有机聚合物分子，所述嵌入化合物选自NASICON结构化合物，或者过渡金属氧化物、焦磷酸化合物、硫化物、或者层状结构化合物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti，以及这类物质的表面包覆壳层或者上述化合物的其他金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Na、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种。
本发明中，使用该低温电解液的超级电容器，其电极材料选自过渡金属氧化物、碳材料、有机聚合物分子，以及上述材料的复合材料。
本发明提供低温电解液，以丙酮等酮类及其衍生物作为溶剂。丙酮等酮类有机溶剂为极性非质子溶剂，含有C=O极性基团，能够有效地溶解锂盐。同时酮类有机溶剂具有熔点低、粘度小、介电常数高、氧化还原稳定性好、价格低廉等优点，特别适合应用在锂离子电池低温电解液领域以改善锂离子电池低温性能。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案及优点更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但是本发明并不局限于这些例子。
实施例1：在无水无氧条件下，以丙酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，磷酸钛锂（LTPO）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为103 mAhg-1，低温零下40℃容量为73 mAhg-1，低温零下70℃容量为51 mAhg-1（见表1）。
实施例2：在无水无氧条件下，以丙酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，钛酸锂（LTO）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为105 mAhg-1，低温零下40℃容量为74 mAhg-1，低温零下70℃容量为52 mAhg-1（见表1）。
实施例3：在无水无氧条件下，以丙酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以聚三苯胺（PTPAn）为正极材料，聚酰亚胺（PI）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为82 mAhg-1，低温零下40℃容量为57 mAhg-1，低温零下70℃容量为45 mAhg-1（见表1）。
实施例4：在无水无氧条件下，以丙酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以活性碳材料为正极材料和负极材料，组装成超级电容器，以1C倍率充放电，常温25℃容量为40mAhg-1，低温零下40℃容量为34mAhg-1，低温零下70℃容量为28 mAhg-1（见表1）。
实施例5：在无水无氧条件下，以丙酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，活性碳材料为负极材料，组装成混合型超级电容器，以1C倍率充放电，常温25℃容量为88mAhg-1，低温零下40℃容量为65mAhg-1，低温零下70℃容量为51mAhg-1（见表1）。
实施例6：在无水无氧条件下，以2-丁酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，磷酸钛锂（LTPO）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为102 mAhg-1，低温零下40℃容量为72 mAhg-1，低温零下70℃容量为51 mAhg-1（见表1）。
实施例7：在无水无氧条件下，以2-丁酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，钛酸锂（LTO）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为104 mAhg-1，低温零下40℃容量为73 mAhg-1，低温零下70℃容量为51 mAhg-1（见表1）。
实施例8：在无水无氧条件下，以2-丁酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以聚三苯胺（PTPAn）为正极材料，聚酰亚胺（PI）为负极材料，组装扣式电池以1C倍率充放电，常温25℃容量为81 mAhg-1，低温零下40℃容量为56 mAhg-1，低温零下70℃容量为44 mAhg-1（见表1）。
实施例9：在无水无氧条件下，以2-丁酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以活性碳材料为正极材料和负极材料，组装成超级电容器，以1C倍率充放电，常温25℃容量为39mAhg-1，低温零下40℃容量为34mAhg-1，低温零下70℃容量为27mAhg-1（见表1）。
实施例10：在无水无氧条件下，以2-丁酮为溶剂，将双（三氟甲基磺酰）亚胺锂按照2 mol/L的摩尔浓度溶解于其中。该电解液可耐低温-70℃。以锰酸锂（LMO）为正极材料，活性碳材料为负极材料，组装成混合型超级电容器，以1C倍率充放电，常温25℃容量为86mAhg-1，低温零下40℃容量为64mAhg-1，低温零下70℃容量为50mAhg-1（见表1）。
表1

Claims (10)

1.一种基于酮基溶剂的低温电解液，其特征在于，以酮类及其衍生物有机溶剂作为溶剂，以锂盐、钠盐或者季铵盐作为溶质，并包含有添加剂。
2.根据权利要求1所述的低温电解液，其特征在于，所述酮类及其衍生物有机溶剂选自丙酮、丁酮、3-甲基-2-丁酮、甲基异丁酮、环丁酮、戊酮、环戊酮、己酮、环己酮、庚酮、辛酮、壬酮及它们的同分异构体和衍生物，上述酮类中含有氧原子的官能团或者被卤原子、硝基、氰基、羧基、磺酸基取代所形成的基团中的一种或几种；其中，卤原子为F、Cl或Br。
3. 根据权利要求1所述的低温电解液，其特征在于，所述锂盐选自三氟甲基磺酸锂、双（三氟甲基磺酰）亚胺锂、三（三氟甲基磺酰）甲基锂、双（氟磺酰）亚胺锂、双乙二酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、LiN(SO2RF)2、LiN(SO2F)(SO2RF)、高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、六氟合砷(V)酸锂、氯化锂、氟化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、硝酸锂、碳酸锂、草酸锂、甲酸锂、乙酸锂中的一种或几种；其中，RF= -CnF2n+1，n=1~10。
4. 根据权利要求1所述的低温电解液，其特征在于，所述钠盐选自三氟甲基磺酸钠、双（三氟甲基磺酰）亚胺钠、三（三氟甲基磺酰）甲基钠、双（氟磺酰）亚胺钠、双乙二酸硼酸钠、二氟草酸硼酸钠、NaN(SO2RF)2、NaN(SO2F)(SO2RF)、高氯酸钠、四氟硼酸钠、六氟磷酸钠、六氟合砷(V)酸钠、氯化钠、氟化钠、溴化钠、碘化钠、硫酸钠、硝酸钠、碳酸钠、草酸钠、甲酸钠、乙酸钠中的一种或几种；其中，RF= -CnF2n+1，n=1~10。
5. 根据权利要求1-4之一所述的低温电解液，其特征在于，所述锂盐、钠盐或季铵盐的浓度为0.1~10 mol/L。
6. 根据权利要求1所述的低温电解液，其特征在于，所述添加剂选自烷基季铵根离子、碳酸酯类化合物、磷酸酯类化合物、硼酸酯类化合物、亚硫酸酯类化合物、磺酸内酯类化合物中的一种或多种；添加剂的含量为电解液的质量的0.1% ~ 15%。
7.如权利要求1-6之一所述的低温电解液在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器和混合型超级电容器中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于锂离子电池：
其正极材料选自能够可逆脱嵌锂离子的嵌入化合物或有机聚合物分子为电极活性物质材料，所述嵌入化合物选自：过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti；或者上述嵌入化合物的金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Li、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种；
其负极材料选自嵌入化合物和有机聚合物分子，所述嵌入化合物选自：NASICON结构化合物，或者过渡金属氧化物、焦磷酸化合物、硫化物、或者层状结构化合物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti，以及这类物质的表面包覆壳层或者上述化合物的其他金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Li、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于钠离子电池：
其正极材料选自：能够可逆脱嵌钠离子的嵌入化合物或有机聚合物分子为电极活性物质材料，所述嵌入化合物选自：过渡金属的氧化物、硫化物、磷化物或氯化物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti，或者上述嵌入化合物的金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Na、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种；
其负极材料选自嵌入化合物和有机聚合物分子，所述嵌入化合物选自：NASICON结构化合物，或者过渡金属氧化物、焦磷酸化合物、硫化物、或者层状结构化合物，所述过渡金属元素为Mn、Ni、Co、Fe、V或Ti，以及这类物质的表面包覆壳层或者上述化合物的其他金属元素M掺杂的材料，掺杂金属元素M为Na、Mg、Cr、Al、Co、Ni、Mn、Zn、Zn、Cu、La离子中的一种或几种。
10.根据权利要求7的应用，其特征在于，对于超级电容器，其电极材料选自过渡金属氧化物、碳材料、有机聚合物分子，以及上述材料的复合材料。
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