CN108400384A - 一种Li-C电池电解液及其制备方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种Li‑C电池电解液及其制备方法和装置，其中碳刷由以下原料制成：LiBOB、LiCF3SO3、N‑二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及碳二亚胺；制备方法包括：纯化有机溶剂，配置非水有机混合溶剂，进一步蒸馏非水有机混合溶剂，加入碳二亚胺，加入N‑二甲基乙酰胺和联苯；制备装置用于进一步蒸馏非水有机混合溶剂，包括：反应釜、蒸馏塔、冷水供水箱以及热水供水器，蒸馏塔的外部设置有第一冷凝器、第二冷凝器以及第三冷凝器；通过该方法和装置制备Li‑C电池电解液，能够有效的控制电解液中国的水分含量，提高电池的总体性能。

Description

一种Li-C电池电解液及其制备方法和装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种Li-C电池电解液及其制备方法和装置。
背景技术
锂离子电池是目前比能量最高的可充电电池，锂离子电池具有工作电压高、比能量大、无污染、无记忆效应和长寿命等优点，被广泛用于移动电话、数码相机和笔记本等便携式电器装置。锂离子电池电解液作为连接正负极的桥梁，在电池内部传输锂离子，起到电池“血液”的作用。
锂电池电解液一般由一定量的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等组成。碳酸酯是最早应用于锂电池工业的有机溶剂，碳酸丙烯酯是锂离子电池电解液最重要的一种环状有机溶剂，碳酸丙烯酯在常温常压下是无色透明、略带有芳香味的液体，具有良好的低温性能，相对介点点常数高，还具有较高的化学、电化学和光稳定性，能够在恶劣的条件下使用。
电解液对纯度要求很高，即使只有0.01%的装置对电池性能都可能会产生很大的负面影响，目前用的锂盐大多数对水都异常敏感，很容易遇水分解，产生气体对电极表面的钝化膜构成严重破坏，增加了电池的不可逆消耗。但是碳酸丙烯酯具有一定的吸湿性，对电解液中水分的控制有一定影响，影响电池的总体性能。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种Li-C电池电解液及其制备方法和装置，以降低电解液中的含水量，提高Li-C电池的总体性能。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种Li-C电池电解液，所述Li-C电池电解液由以下原料制成：LiBOB、LiCF3SO3、N-二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及碳二亚胺，亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及碳二亚胺在所述Li-C电池电解液中所占比重为0.1%-5%。
第一方面的一种Li-C电池电解液，首先有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯组成，碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯结构非常相似，为碳酸丙烯酯的同系物，粘度略低于碳酸丙烯酯，但介电常数远高于碳酸丙烯酯，能够充分电离锂盐；而N-二甲基乙酰胺的加入能够很明显地抑制碳酸丙烯酯做溶剂时的不可逆分解，使得石墨电极能够进行有效的充放锂循环；LiBOB的添加既补足电解液中锂离子的用量需求，并且LiBOB在一定条件下抗氧化能力要强于其他锂盐，电化学性能更加稳定，提高Li-C电池的总体性能；另外添加了碳二亚胺，碳二亚胺相较于其他脱水机，其与电解液中的水反应后的产物在有机溶剂中可溶，脱水的同时不会影响电池的整体性能。
可选的，N-二甲基乙酰胺和碳酸丙烯酯在所述Li-C电池电解液中所占比重之比为1：2.5。
根据本公开的第二方面，提供一种Li-C电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
分别在碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯中加入醋酸酐，浓硫酸，加热回流，然后分馏，分馏后的液体用无水碳酸钾振荡干燥后蒸馏，分别得到纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯；
在露点低于-45°、含氧量小于1.5ppm的环境下，按照体积比1：1：0.5:0.5配置，得到非水有机混合溶剂；
在非水有机混合溶剂中加入碳二亚胺，降低所述非水有机混合溶剂的水分至7ppm以下；
将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中，得到普通电解液；
将N-二甲基乙酰胺和联苯加入所述普通电解液中，得到所述Li-C电池电解液。
应用第二方面提供的Li-C电池电解液的制备方法，首先将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯等大剂量的有机溶剂纯化，主要是除水之后，配比得到非水有机混合溶剂，之后再加入碳二亚胺，进一步降低废水有机混合溶剂中的含水量，之后在非水有机混合溶剂中加入其它组分，最后得到Li-C电池电解液；纯化及加碳二亚胺的步骤均能有效的降低非水有机混合溶剂中的含水量，提高电池的总体性能。
可选的，对纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯判定杂质含量，分别向纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯的试样中添加碘和二氧化硫，依据法拉第定律，用消耗的电量得出水的量。
可选的，将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中的步骤中，将LiBOB和LiCF3SO3在不断搅拌条件下缓慢加入，环境温度控制在40℃以下。
根据本公开的第三方面，提供一种Li-C电池电解液的制备装置，用于蒸馏非水有机混合溶剂，其特征在于，包括：反应釜、蒸馏塔、冷水供水箱以及热水供水器，所述反应釜内部设置有溶剂容置腔，所述蒸馏塔呈空心圆柱状，所述蒸馏塔的一端与所述溶剂容置腔相连通，所述蒸馏塔的另一端与集水器相连通，所述集水器与所述蒸馏塔所成角度为锐角；
所述蒸馏塔的外部设置有第一冷凝器、第二冷凝器以及第三冷凝器，所述第一冷凝器、所述第二冷凝器以及所述第三冷凝器均设置有上水平管、下水平管以及多根竖直管，所述多根竖直管的两端分别与所述上水平管和下水平管相连通，所述上水平管的一端与所述冷水供水箱相连通，所述上水平管的另一端与所述热水供水器相连通，所述下水平管的一端封闭，所述下水平管的另一端与所述热水供水器相连通，所述上水平管远离所述冷水供水箱的一端与所述热水供水器之间设置有水泵，所述下水平管远离所述冷水供水箱的一端与所述热水供水器之间设置有水泵。
可选的，所述冷水供水箱分为上中下三层，分别与所述第一冷凝器、所述第二冷凝器以及所述第三冷凝器相连通。
可选的，所述热水供水箱包括第一热水供水器、第二热水供水器以及第三热水供水器，所述第一热水供水器、所述第二热水供水器以及所述第三热水供水器均为独立的容器，所述第三热水供水器与所述集水器相连通。
可选的，所述反应釜的外部包覆有发热器。
可选的，所述第一冷凝器、所述第二冷凝器以及所述第三冷凝器上均设置有温度计。
第三方面的一种Li-C电池电解液的制备装置，使用时，先将几种需要混合在一起的有机溶剂混合均匀，倒入反应釜中，对反应釜加热，有机溶剂及水均汽化蒸汽状，经由蒸馏塔时，首先经过第一冷凝器，第一冷凝器通入温度较低的冷水，由于有机溶剂的冷凝温度都较水高，控制该温度高于水的冷凝温度，该温度不至于使有机溶剂中的水冷凝，冷凝温度高于该温度的有机溶剂液化，流回反应釜中，然后经过第二冷凝器，第二冷凝器也通入温度较低的水，该温度较之于第一冷凝器通入的水温度更低，高于该温度的有机溶剂液化之后流回反应釜，然后经过第三冷凝器，第三冷凝器也通入温度较低的水，该温度较之于第二冷凝器通入的水温度更低，高于该温度的有机溶剂液化之后流回反应釜，最后水蒸气经过蒸馏塔的顶部进入集水器，并且在集水器中液化，留在集水器中。以第一冷凝管为例，冷水从冷水供水箱由上水平管进入第一冷凝管，并且流入各个竖直管中，最后由下水平管远离冷水供水箱的一端进入热水供水箱中，由于吸收了蒸汽的热量，热水供水箱中的温度较高，热水供水箱中的热水可以有由上水平管远离冷水供水箱的一端进入第一冷凝管中，从而起到调控温度的作用。这种蒸馏有机溶剂的装置，可以高效的分离出有机溶剂中的水分，减少电池电解液中的含水量，提高电池的总体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备方法的流程示意图；
图2为根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的整体示意图；
图3为根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的局部示意图；
图4为根据另一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的整体示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
一种Li-C电池电解液，由以下原料制成：LiBOB、LiCF3SO3、N-二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及碳二亚胺，亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及三甲基碳酸钙在所述Li-C电池电解液中所占比重为0.1%-5%。首先有机溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯组成，碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯结构非常相似，为碳酸丙烯酯的同系物，粘度略低于碳酸丙烯酯，但介电常数远高于碳酸丙烯酯，能够充分电离锂盐；而N-二甲基乙酰胺的加入能够很明显地抑制碳酸丙烯酯做溶剂时的不可逆分解，使得石墨电极能够进行有效的充放锂循环；LiBOB的添加既补足电解液中锂离子的用量需求，并且LiBOB在一定条件下抗氧化能力要强于其他锂盐，电化学性能更加稳定，提高Li-C电池的总体性能；另外添加了碳二亚胺，碳二亚胺相较于其他脱水机，其与电解液中的水反应后的产物在有机溶剂中可溶，脱水的同时不会影响电池的整体性能。
另外，N-二甲基乙酰胺的量应该适量，N-二甲基乙酰胺过多的话，由于N-二甲基乙酰胺还原产物过多，严重沉积在石墨表面，影响石墨性能的发挥，导致锂离子无法脱嵌。因此N-二甲基乙酰胺和碳酸丙烯酯在所述Li-C电池电解液中所占比重之比为1：2.5为最佳比例。N-二甲基乙酰胺可以通过还原在石墨电极表面形成一层固体电解质相界面膜，抑制碳酸丙烯酯分子与石墨直接接触而共嵌入石墨，使得电解液不可逆分解反应得到抑制，使得石墨能够正常脱嵌锂离子。
图1是根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备方法的流程示意图，包括如下步骤：
S1，分别在碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯中加入醋酸酐，浓硫酸，加热回流，然后分馏，分馏后的液体用无水碳酸钾振荡干燥后蒸馏，分别得到纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯；
S2，在露点低于-45°、含氧量小于1.5ppm的环境下，按照体积比1：1：0.5:0.5配置，得到非水有机混合溶剂，进一步蒸馏非水有机混合溶剂；
S3，在非水有机混合溶剂中加入碳二亚胺，降低所述非水有机混合溶剂的水分至7ppm以下；
S4，将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中，得到普通电解液；
S5,将N-二甲基乙酰胺和联苯加入所述普通电解液中，得到所述Li-C电池电解液。
应用第二方面提供的Li-C电池电解液的制备方法，首先将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯等大剂量的有机溶剂纯化，主要是除水之后，配比得到非水有机混合溶剂，之后再加入碳二亚胺，进一步降低废水有机混合溶剂中的含水量，之后在非水有机混合溶剂中加入其它组分，最后得到Li-C电池电解液；纯化及加碳二亚胺的步骤均能有效的降低非水有机混合溶剂中的含水量，提高电池的总体性能。
在对有机溶剂纯化后，为确保电池性能的最优化，可以对有机溶剂中的含水量进行测定，分别向纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯的试样中添加碘和二氧化硫，依据法拉第定律，用消耗的电量得出水的量。原理为：试样中的水分与电解液中的碘和二氧化硫发生定量反应，使用卡尔·费休库仑法微量水分测定仪: 配有电解电极和检测电极等，可以有效的检测有机溶剂中的水分含量，从而决定是否需要对有机溶剂进行进一步地纯化。
将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中的步骤中，为了Li盐能够充分的与非水有机混合溶剂混合均匀，将LiBOB和LiCF3SO3在不断搅拌条件下缓慢加入，环境温度控制在40℃以下。
图2为根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的整体示意图，图3为根据一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的局部示意图。该装置包括：反应釜1、蒸馏塔2、冷水供水箱3以及热水供水器4，所述反应釜1内部设置有溶剂容置腔12，所述蒸馏塔2呈空心圆柱状，所述蒸馏塔2的一端与所述溶剂容置腔12相连通，所述蒸馏塔2的另一端与集水器5相连通，所述集水器5与所述蒸馏塔2所成角度为锐角；
所述蒸馏塔2的外部设置有第一冷凝器21、第二冷凝器22以及第三冷凝器23，所述第一冷凝器21、所述第二冷凝器22以及所述第三冷凝器23均设置有上水平管211、下水平管212以及多根竖直管213，所述多根竖直管213的两端分别与所述上水平管211和下水平管212相连通，所述上水平管211的一端与所述冷水供水箱3相连通，所述上水平管211的另一端与所述热水供水器4相连通，所述下水平管212的一端封闭，所述下水平管212的另一端与所述热水供水器4相连通，所述上水平管211远离所述冷水供水箱3的一端与所述热水供水器4之间设置有水泵214，所述下水平管212远离所述冷水供水箱3的一端与所述热水供水器4之间设置有水泵。
使用时，先将几种需要混合在一起的有机溶剂混合均匀，倒入反应釜中，对反应釜加热，有机溶剂及水均汽化蒸汽状，经由蒸馏塔时，首先经过第一冷凝器，第一冷凝器通入温度较低的冷水，由于有机溶剂的冷凝温度都较水高，控制该温度高于水的冷凝温度，该温度不至于使有机溶剂中的水冷凝，冷凝温度高于该温度的有机溶剂液化，流回反应釜中，然后经过第二冷凝器，第二冷凝器也通入温度较低的水，该温度较之于第一冷凝器通入的水温度更低，高于该温度的有机溶剂液化之后流回反应釜，然后经过第三冷凝器，第三冷凝器也通入温度较低的水，该温度较之于第二冷凝器通入的水温度更低，高于该温度的有机溶剂液化之后流回反应釜，最后水蒸气经过蒸馏塔的顶部进入集水器，并且在集水器中液化，留在集水器中。以第一冷凝管为例，冷水从冷水供水箱由上水平管进入第一冷凝管，并且流入各个竖直管中，最后由下水平管远离冷水供水箱的一端进入热水供水箱中，由于吸收了蒸汽的热量，热水供水箱中的温度较高，热水供水箱中的热水可以有由上水平管远离冷水供水箱的一端进入第一冷凝管中，从而起到调控温度的作用。这种蒸馏有机溶剂的装置，可以高效的分离出有机溶剂中的水分，减少电池电解液中的含水量，提高电池的总体性能。
所述冷水供水箱3分为上中下三层，分别与所述第一冷凝器21、所述第二冷凝器22以及所述第三冷凝器23相连通，可以在冷水供水箱3上也设置加热或制冷装置，可以方便调节冷水供水箱中水的温度，且分为上中下三层，使得所述第一冷凝器21、所述第二冷凝器22以及所述第三冷凝器23能够分层次的液化有机溶剂，使得除水的操作更加彻底。
图4为根据另一示例性实施例提供的一种Li-C电池电解液的制备装置的整体示意图，为热水供水箱4的另一种实施方式，所述热水供水箱4包括第一热水供水器41、第二热水供水器42以及第三热水供水器43，所述第一热水供水器41、所述第二热水供水器42以及所述第三热水供水器43均为独立的容器，所述第三热水供水器43与所述集水器（5）相连通；将第一热水供水器41、所述第二热水供水器42以及所述第三热水供水器43分为独立的容器，可以更加方便的控制各个冷凝器的温度，也得进一步细化纯化的过程，使纯化更彻底，进一步减少有机溶剂中含水量。
所述反应釜1的外部包覆有发热器11，一般反应釜1都是借助热炉加热，不易调节温度，在反应釜1的外包包裹上发热器11，使得整个反应过程更现代，更智能化，调节温度也更加方便。
所述第一冷凝器21、所述第二冷凝器22以及所述第三冷凝器23上均设置有温度计214，温度计可以很好的监控冷凝器的温度，防止温度过低而导致水液化，从而导致纯化操作不彻底，不能有效的降低有机溶剂中的含水量。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种Li-C电池电解液，其特征在于，所述Li-C电池电解液由以下原料制成：LiBOB、LiCF3SO3、N-二甲基乙酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及碳二亚胺， 亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、联苯以及三甲基碳酸钙在所述Li-C电池电解液中所占比重为0.1%-5%。
2.如权利要求1所述一种Li-C电池电解液，其特征在于，N-二甲基乙酰胺和碳酸丙烯酯在所述Li-C电池电解液中所占比重之比为1：2.5。
3.一种Li-C电池电解液的制备方法，其特征在于，所述Li-C电池电解液的制备方法包括以下步骤：
分别在碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯中加入醋酸酐，浓硫酸，加热回流，然后分馏，分馏后的液体用无水碳酸钾振荡干燥后蒸馏，分别得到纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯；
在露点低于-45°、含氧量小于1.5ppm的环境下，按照体积比1：1：0.5:0.5配置，得到非水有机混合溶剂，进一步蒸馏非水有机混合溶剂；
在非水有机混合溶剂中加入碳二亚胺，降低所述非水有机混合溶剂的水分至7ppm以下；
将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中，得到普通电解液；
将N-二甲基乙酰胺和联苯加入所述普通电解液中，得到所述Li-C电池电解液。
4.如权利要求3所述的一种Li-C电池电解液的制备方法，其特征在于，对纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯判定杂质含量，分别向纯化后的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯的试样中添加碘和二氧化硫，依据法拉第定律，用消耗的电量得出水的量。
5.如权利要求3所述的一种Li-C电池电解液的制备方法，其特征在于，将LiBOB和LiCF3SO3溶于所述非水有机混合溶剂中的步骤中，将LiBOB和LiCF3SO3在不断搅拌条件下缓慢加入，环境温度控制在40℃以下。
6.一种Li-C电池电解液的制备装置，用于蒸馏非水有机混合溶剂，其特征在于，包括：反应釜（1）、蒸馏塔（2）、冷水供水箱（3）以及热水供水器（4），所述反应釜（1）内部设置有溶剂容置腔（12），所述蒸馏塔（2）呈空心圆柱状，所述蒸馏塔（2）的一端与所述溶剂容置腔（12）相连通，所述蒸馏塔（2）的另一端与集水器（5）相连通，所述集水器（5）与所述蒸馏塔（2）所成角度为锐角；
所述蒸馏塔（2）的外部设置有第一冷凝器（21）、第二冷凝器（22）以及第三冷凝器（23），所述第一冷凝器（21）、所述第二冷凝器（22）以及所述第三冷凝器（23）均设置有上水平管（211）、下水平管（212）以及多根竖直管（213），所述多根竖直管（213）的两端分别与所述上水平管（211）和下水平管（212）相连通，所述上水平管（211）的一端与所述冷水供水箱（3）相连通，所述上水平管（211）的另一端与所述热水供水器（4）相连通，所述下水平管（212）的一端封闭，所述下水平管（212）的另一端与所述热水供水器（4）相连通，所述上水平管（211）远离所述冷水供水箱（3）的一端与所述热水供水器（4）之间设置有水泵（214），所述下水平管（212）远离所述冷水供水箱（3）的一端与所述热水供水器（4）之间设置有水泵（24）。
7.如权利要求6所述的一种Li-C电池电解液的制备装置，其特征在于，所述冷水供水箱（3）分为上中下三层，分别与所述第一冷凝器（21）、所述第二冷凝器（22）以及所述第三冷凝器（23）相连通。
8.如权利要求6所述的一种Li-C电池电解液的制备装置，其特征在于，所述热水供水箱（4）包括第一热水供水器（41）、第二热水供水器（42）以及第三热水供水器（43），所述第一热水供水器（41）、所述第二热水供水器（42）以及所述第三热水供水器（43）均为独立的容器，所述第三热水供水器（43）与所述集水器（5）相连通。
9.如权利要求6所述的一种Li-C电池电解液的制备装置，其特征在于，所述反应釜（1）的外部包覆有发热器（11）。
10.如权利要求6所述的一种Li-C电池电解液的制备装置，其特征在于，所述第一冷凝器（21）、所述第二冷凝器（22）以及所述第三冷凝器（23）上均设置有温度计（214）。
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