CN108011125A - 一种含硼元素和含氟官能团物质的用途 - Google Patents

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Abstract

一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，属于锂硫电池技术领域。所述电解液添加剂（1）含有硼元素，能够在电极表面形成一层保护层；（2）含有含氟官能团，能够形成含LiF的无机保护层。本发明的优点是：该含硼元素和含氟官能团的物质作为电解液的添加剂，可用于醚类或酯类溶剂体系，适用于多种锂盐体系。该添加剂可以促进负极表面形成稳定的SEI膜，并抑制电解液的分解，通过原位电化学红外光谱和原位电化学质谱分析，该电解液的添加剂可以明显抑制锂硫电池充放电循环过程中产气，从而提高了电池的循环稳定性及倍率性能，具有优异抑制锂硫电池产气的性能，可以提高锂硫的电池的循环性能、安全性能，为促进锂硫电池的商业化提供技术支持。

Description

一种含硼元素和含氟官能团物质的用途
技术领域
本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种含硼元素和含氟官能团物质的用途。
背景技术
商业化的锂离子电池由于较低的能量密度，促进了人们对新型下一代电池的研究，例如锂硫电池、锂空电池、镁离子电池等。其中，锂硫电池有较高的理论能量密度（大约2600 Wh/kg），循环稳定性高，电极材料廉价、环境友好，是最接近商业化的一类新型电池。
目前，锂硫电池存在的问题包括容量衰减快、正极活性物质导电性差、体积膨胀严重。其中，锂硫电池最主要的问题是容量衰减快。电池充放电的过程中，多硫化物穿梭会导致部分多硫化物扩散到负极发生反应，造成活性物质损失；正极活性物质（硫或硫化锂）不可逆沉积也会造成电池容量衰减。将常规用于研究的扣式电池放大到软包电池，还需要解决锂硫电池负极材料的粉化、电解液与正极活性物质比过大、电池体积膨胀以及电池产气等问题。目前，关于锂硫电池的研究主要集中在正极材料，对锂硫电池的界面反应机理、电池充放电的产气问题研究很少。通过电化学原位分析技术，研究锂硫电池充放电过程中气体产生机理，可以明晰电解液与正极材料和金属锂负极的反应机制，以及电解液及添加剂自发分解或在电极表面发生氧化还原分解反应机制，为解决锂硫电池循环性能差、安全性差等问题提供重要的理论依据。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有锂硫电池存在的产气问题，提供一种含硼元素和含氟官能团物质的用途。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述含硼元素和含氟官能团物质用作电解液的添加剂。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
该含硼元素和含氟官能团的物质作为电解液的添加剂，可用于醚类或酯类溶剂体系，适用于多种锂盐体系。在锂硫电池充放电过程中，该添加剂可以促进负极表面形成稳定的SEI膜，并抑制电解液的分解，通过原位电化学红外光谱和原位电化学质谱分析，该电解液的添加剂可以明显抑制锂硫电池充放电循环过程中产气，从而提高了电池的循环稳定性及倍率性能，具有优异抑制锂硫电池产气的性能，可以提高锂硫的电池的循环性能、安全性能，为促进锂硫电池的商业化提供技术支持。本发明有助于探究锂硫电池界面反应机理，解决锂硫软包电池使用过程中的“气胀”问题，并提高锂硫电池的安全性能。
附图说明
图1为用于原位电化学红外光谱和原位电化学质谱检测的电池照片；
图2为锂硫电池的原位电化学红外谱图；
图3为实施例1得到的原位电化学质谱图；
图4为实施例2得到的原位电化学质谱图；
图5为TTFEB电解液添加剂抑制锂硫电池产气说明图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
本发明中通过原位电化学红外光谱、原位电化学质谱技术，研究了锂硫电池的产气机制，发现硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂对抑制产气有显著作用。该电解液添加剂，可以配合其它溶剂及锂盐使用，为研究其它电解液添加剂提供思路；该类电解液添加剂也可用于其它新型电池（锂空气电池、镁离子电池等），可以探究效仿。本发明思路新颖，通过探究添加剂配比、电解液体系等，可以有效抑制锂硫电池的产气问题，公开了此类硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂用于抑制锂硫电池产气的策略。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述含硼元素和含氟官能团物质用作电解液的添加剂。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述物质中含有的硼元素能够在电极表面形成一层保护层；物质中含有的含氟官能团能够在电极表面形成含LiF的无机保护层。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述电解液由锂盐溶质和溶剂组成，所述锂盐的浓度为0.5~2mol/L，优选为1mol/L。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述添加剂在电解质中的浓度为0.1~1.0mol/L，优选为0.4mol/L。
具体实施方式五：具体实施方式三所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）或三氟甲基磺酸锂（LiCF3SO3）中的一种几种。
具体实施方式六：具体实施方式三所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，所述的溶剂为乙二醇二甲醚和1,3~二氧戊环（DME/DOL）、乙二醇二甲醚和1,3~二氧六环（DME/DIOX）、二乙二醇二甲醚和1,3~二氧戊环或四乙二醇二甲醚和二氧戊环（TEGDME/DOL）中的一种或几种。
实施例1：
在LiTFSI-DME/DOL电解液体系，研究硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂对锂硫电池产气的影响。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiTFSI-DME/DOL为电解液（1 M LiTFSI+0.4 M TTFEB），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60 uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。组装成的锂硫电池是负极和垫片中心打孔的2032型扣式电池，孔径为6 mm，组装成的电池如图1所示，得到的原位电化学质谱图如图3所示，无明显气体产生。如图2所示，通过原位红外光谱测试技术，研究不同含量TTFEB添加剂对产气的影响，发现加入TTFEB添加剂后，2200 cm-1处附近的峰消失，说明乙炔等气体明显得到抑制。如图5所示，为TTFEB电解液添加剂抑制锂硫电池产气说明图。
实施例2：
在LiTFSI-DME/DOL电解液体系，研究不含硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂的锂硫电池产气情况。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiTFSI-DME/DOL为电解液（1 M LiTFSI），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60 uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。测试结果如图4所示，有明显气体产生。
实施例3：
在LiCF3SO3-DME/DOL为电解液体系，研究硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂对锂硫电池产气的影响。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiCF3SO3-DME/DOL为电解液（1 M LiCF3SO3+0.4 M TTFEB），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60 uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。
实施例4：
在LiCF3SO3-DME/DOL为电解液体系，研究不含硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂的锂硫电池产气情况。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiCF3SO3-DME/DOL为电解液（1 M LiCF3SO3），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60 uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。
实施例5：
在LiFSI-DME/DOL为电解液体系，研究硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂对锂硫电池产气的影响。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiCF3SO3-DME/DOL为电解液（1 M LiFSI+0.4 M TTFEB），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。
实施例6：
在LiFSI-DME/DOL为电解液体系，研究不含硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂的锂硫电池产气情况。以80 wt%的KB-S为正极，硫的面载量约为1.2 mg cm-2，LiCF3SO3-DME/DOL为电解液（1 M LiFSI），负极为金属锂片，每块电池所加电解液的量为60 uL。将电池搁置10 h后，进行原位电化学红外测试和原位电化学质谱测试。其中原位电化学质谱测试，扫速为0.2 mV s-1。
实施例7：
研究方法和实施例1~6相似，固定锂盐种类，改变电解液体系的溶剂组成，分别研究在乙二醇二甲醚/1,3-二氧六环（DME/DIOX）、二乙二醇二甲醚/1,3-二氧戊环（DME/DOL）和四乙二醇二甲醚/二氧戊环（TEGDME/DOL）溶剂体系，研究电解液中含有和不含硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯电解液添加剂对锂硫电池产气情况的影响。
本发明申请中涉及到电解液的添加剂有硼酸三（2,2,2-三氟乙基）酯、三（三甲基硅烷）硼酸酯（TMSB）和硼酸三乙酯（TEB）等等。

Claims (6)

1.一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述含硼元素和含氟官能团物质用作电解液的添加剂。
2.根据权利要求1所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述物质中含有的硼元素能够在电极表面形成一层保护层；物质中含有的含氟官能团能够在电极表面形成含LiF的无机保护层。
3.根据权利要求1所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述电解液由锂盐溶质和溶剂组成，所述锂盐的浓度为0.5~2mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述添加剂在电解质中的浓度为0.1~1.0mol/L。
5.根据权利要求3所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂或三氟甲基磺酸锂中的一种几种。
6.根据权利要求3所述的一种含硼元素和含氟官能团物质的用途，其特征在于：所述的溶剂为乙二醇二甲醚和1,3~二氧戊环、乙二醇二甲醚和1,3~二氧六环、二乙二醇二甲醚和1,3~二氧戊环或四乙二醇二甲醚和二氧戊环中的一种或几种。
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