CN110783586B - 一种高功率密度一次电池电解液及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率密度一次电池电解液及其制备方法和应用，属于电化学领域，通过将导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚中，利用二乙二醇二甲醚与锂离子的较强结合力，使二乙二醇二甲醚与锂离子共同嵌入CFx材料，形成二乙二醇二甲醚‑锂离子‑F的螯合产物，从而抑制电池放电产物LiF形成大晶，进而达到提高电池的倍率性能的目的。本发明电解液的组分简单且操作方便、经济，能显著提高一次电池的功率密度。

Description

一种高功率密度一次电池电解液及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电化学领域，特别是涉及一种高功率密度一次电池电解液及其制备方法和应用。
背景技术
锂一次电池作为一种高能化学电源，因其比能量高、工作电压高、储存寿命长等优点，广泛应用于计算机存储器、电脑主板机、心脏起搏器、遥控器等领域。于20世纪70年代，锂/氟化碳(Li/CFx)电池被首次引入一次锂电池，它比Li/MnO2、Li/SOCl2和Li/SO2电池具有更高的比能量,是锂一次电池中理论比能量最高的一种。然而，Li/CFx电池大规模应用的主要限制因素之一是功率低、低温性能差，这与CFx阴极的低导电性和慢电池反应动力学有关。以往提高功率能力的工作集中在CFx阴极的加工，包括降低电极厚度和使用具有较好倍率能力的亚氟化碳等。但是，这些方法所取得的改进往往是以降低电池的能量密度作为交换条件的。在商用Li/CFx电池中使用的电解液多为单一有机溶剂或有机溶剂混合物，如碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)混合物等。在用于锂电源的电解质中的其它有机非质子溶剂中，可以提及碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)等。然而，这类电解液影响一次电池功率密度的问题突出。因此，寻找高功率密度电解液是另一更为有效的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率密度一次电池电解液及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，通过将导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚中，利用二乙二醇二甲醚与锂离子的较强结合力，使二乙二醇二甲醚与锂离子共同嵌入CFx材料，形成二乙二醇二甲醚-锂离子-F的螯合产物，从而抑制电池放电产物LiF形成大晶，进而提高电池的倍率性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.8-1.2mol/L。
进一步地，所述导电锂盐为含氟系列锂盐。
进一步地，所述含氟系列锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、全氟烷基磺酰甲基锂(LiC(CF3SO2)3)和双三氟甲基磺酰亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)中的至少一种。
本发明还提供一种上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)将导电锂盐加入步骤(1)所得的二乙二醇二甲醚溶剂中，得到所述的高功率密度一次电池用电解液。
进一步地，步骤(1)中所述的纯化除杂、除水通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或几种进行处理。
进一步地，所述的分子筛为
Figure BDA0002283066660000021
型、
Figure BDA0002283066660000022
型或
Figure BDA0002283066660000023
型中的一种或几种。
本发明还提供一种上述高功率密度一次电池电解液在电池中的应用。
进一步地，所述电池的正极片由CFx材料制备，负极片由锂片制成，所述隔膜为聚乙烯薄膜。
本发明还提供一种氟化碳电池，含有上述的高功率密度一次电池电解液。
进一步地，所述氟化碳电池包括正极片和负极片、电解液、隔膜；所述正极片由CFx材料制备，负极片由锂片制成，间隔于正极片和负极片之间的隔膜是聚乙烯薄膜。
本发明公开了以下技术效果：
锂电池在放电过程中，会生成不溶LiF，不溶LiF的生成和累积，使得反应变慢，从而降低电池的倍率性能。本发明使用二乙二醇二甲醚作为纯溶剂来提高一次电池的倍率性能。二乙二醇二甲醚与锂离子的结合力较强，会与锂离子共同嵌入CFx材料，形成二乙二醇二甲醚-锂离子-F的螯合产物，从而抑制电池放电产物LiF形成大晶，进而达到提高电池的倍率性能的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1制备的高功率密度电解液制作的一次电池在不同倍率下的性能图。
图2是本发明对比例1制备的普通电解液制作的一次电池在不同倍率下的性能图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.8-1.2mol/L。
实施例1
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.8mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐四氟硼酸锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为0.8mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
实施例2
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.9mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐六氟磷酸锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为0.9mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
实施例3
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.95mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐二氟草酸硼酸锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为0.95mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
实施例4
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为1.0mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐三氟甲基磺酸锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
实施例5
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为1.1mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐全氟烷基磺酰甲基锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为1.1mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
实施例6
一种高功率密度一次电池电解液，包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂，导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为1.2mol/L。
上述高功率密度一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐双三氟甲基磺酰亚胺锂溶解在步骤(1)得到的溶剂中，最终浓度为1.2mol/L，搅拌均匀，得到高功率密度一次电池电解液。
对比例1
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐四氟硼酸锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度度为0.8mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
对比例2
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐六氟磷酸锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度为0.9mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
对比例3
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐二氟草酸硼酸锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度为0.95mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
对比例4
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐三氟甲基磺酸锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
对比例5
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐全氟烷基磺酰甲基锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度为1.1mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
对比例6
以碳酸丙烯酯(PC)、1，2-二甲氧基乙烷(DME)和导电锂盐构成普通电解液，其制备方法如下：
(1)将碳酸丙烯酯(PC)和1，2-二甲氧基乙烷(DME)按体积比PC:DME＝1:1混合，并采用分子筛纯化除杂、除水；
(2)在室温下，将导电锂盐双三氟甲基磺酰亚胺锂溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，最终浓度为1.2mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液。
将实施例1制备得到的高功率密度一次电池电解液和对比实施例1制备得到的普通电解液进行比较：
(1)以质量百分比85％的CFx，质量百分比5％的PVDF和质量百分比10％的导电碳黑为工作电极，金属锂作为参比电极和对电极，加入实施例1制备的高功率密度电解液50μL。在室温25℃恒温下以0.1C，1C，2C倍率放电到截止电压1.5V。
(2)以质量百分比85％的CFx，质量百分比5％的PVDF和质量百分比10％的导电碳黑为工作电极，金属锂作为参比电极和对电极，加入对比实施例1制备的普通电解液50μL。在室温25℃恒温下以0.1C，1C，2C倍率放电到截止电压1.5V。
图1为实施例1制备的高功率一次电池电解液制作的一次扣式电池，进行倍率性能的测试；
图2为对比实施例1制备的普通电解液制作的一次扣式电池，进行倍率性能的测试。
通过图1和图2的对比，发现用二乙二醇二甲醚作为纯溶剂制备的电解液中，一次电池的倍率性能有显著提高。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高功率密度氟化碳一次电池电解液，其特征在于，
包括导电锂盐和二乙二醇二甲醚溶剂；
导电锂盐溶于二乙二醇二甲醚溶剂后的浓度为0.8mol/L；
所述导电锂盐为四氟硼酸锂；
所述的高功率密度氟化碳一次电池电解液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将二乙二醇二甲醚溶剂纯化除杂、除水，得到纯溶剂；
(2)在室温下，将导电锂盐加入步骤(1)所得的二乙二醇二甲醚溶剂中，得到所述的高功率密度氟化碳一次电池用电解液；
步骤(1)中纯化除杂、除水通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或几种进行处理；
所述的分子筛为
Figure FDA0003009252830000011
型、
Figure FDA0003009252830000012
型或
Figure FDA0003009252830000013
型中的一种或几种。
2.一种如权利要求1所述的高功率密度氟化碳一次电池电解液在电池中的应用；
所述电池的正极片由CFx材料制备。
3.一种氟化碳电池，其特征在于，含有权利要求1所述的高功率密度氟化碳一次电池电解液；
所述氟化碳电池包括正极片和负极片、电解液、隔膜；
所述正极片由CFx材料制备，负极片由锂片制成，间隔于正极片和负极片之间的隔膜是聚乙烯薄膜。
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