CN112038689B - 一种硼酸酯锂固态电解质及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼酸酯锂固态电解质及其应用,属于锂二次电池相关技术领域,本发明所提供的硼酸酯锂固态电解质主要组成成分硼酸酯锂为一种以四面体锂硼氧结构为中心,并主要以柔性醚氧链段为侧链的聚合物,可在传统PEO链段运动导Li+的基础上实现较低的结晶度和较高的解离度,从而获得高的离子导电率与阳离子迁移数,且在较宽的温度范围内具有良好的机械稳定性和化学稳定性;另外,本发明所提供的硼酸酯锂固态电解质的制备工艺简单,易于生产。
Description
【技术领域】
本发明属于锂二次电池相关技术领域,具体涉及一种硼酸酯锂固态电解质及其应用。
【背景技术】
电解质是锂二次电池的重要组成部分之一,其主要作用是在具有低电子导电性的前提下提供传输离子的通道。相较于含有大量有机溶剂的液态电解质与凝胶电解质,聚合物固态电解质(SPE)具有高的安全性、力学柔性、易成膜等优点,被认为是下一代高能量密度储能器件中最具应用潜力的电解质。其中,基于环氧乙烯(PEO)的聚合物固态电解质目前已进入商业化应用阶段,但较低的离子电导率与阳离子迁移数限制了其实际应用。
因此,在传统PEO电解质的基础上制备新型聚合物固态电解质是锂二次电池电解质的一个重要方向。
【发明内容】
针对现有技术中的上述技术问题,本发明提供一种硼酸酯锂固态电解质,其主要组成成分硼酸酯锂为一种以四面体锂硼氧结构为中心,并主要以柔性醚氧链段为侧链的聚合物,可在传统PEO链段运动导Li+的基础上实现较低的结晶度和较高的解离度,从而获得高的离子导电率与阳离子迁移数。本发明的主要技术方案如下:
一种硼酸酯锂固态电解质,所述硼酸酯锂的结构通式如式Ⅰ所示:
其中,Ar1为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
Ar2为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
R为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
其中,n=2-100。
作为优选的实施方案之一,所述硼酸酯锂固态电解质仅由所述硼酸酯锂制备而成。
作为另一优选的实施方案,所述硼酸酯锂固态电解质由硼酸酯锂和锂盐混合制备而成,所述锂盐为双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、(氟磺酰)(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)、四氯铝酸锂(LiAlCl4)、六氟锑酸锂(LiSbF6)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、4,5-二氰基-2-三氟甲基咪唑锂(LiDTI)和六氟砷酸锂(LiAsF6)中的一种或两种以上的混合物;其中,所述硼酸酯锂中的醚氧数与所述锂盐中的锂离子(Li+)的摩尔比为(1-100):1。
一种复合电解质,由如上所述的硼酸酯锂固态电解质与有机溶剂、无机物、多孔骨架材料中的其中一种或两种以上复合而成。
进一步地,所述有机溶剂为甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、二甲氧甲烷、二乙二醇二甲醚、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、丙二腈、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、氟代碳酸乙烯酯和戊二腈中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述无机物为氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、勃姆石、氢氧化镁、氢氧化钡、氧化物锂离子电解质或硫化物锂离子电解质中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述多孔骨架材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇缩甲醛(PVFM)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)和纤维素中的任意一种或两种以上的混合物。
一种锂电池,其电解质为如上所述的所述硼酸酯锂固态电解质或所述复合电解质。
一种锂离子电池,其电解质为如上所述的硼酸酯锂固态电解质或所述复合电解质。
相较于现有技术,本发明的有益效果如下:
本发明所提供的硼酸酯锂固态电解质,主要由硼酸酯锂制备而成,所述硼酸酯锂为一种以四面体锂硼氧结构为中心、并主要以柔性醚氧链段为侧链的聚合物,可在传统PEO链段运动导Li+的基础上获得较低的结晶度,同时该聚合物锂盐的阴离子部分负电荷离域程度大,利于Li+的解离,从而实现较高的离子电导率与阳离子迁移数,同时该电解质在较宽的温度范围内具有良好的机械稳定性和化学稳定性;而且,该聚合物制备工艺简单,易于生产。
【附图说明】
图1为硼酸酯锂固态电解质的制备方法流程图;
图2为实施例2所得的硼酸酯锂固态电解质的红外光谱图;
图3为实施例7所制得的扣式电池60℃交流阻抗测试图。
【具体实施方式】
本发明旨在提供一种硼酸酯锂固态电解质,其主要组成成分硼酸酯锂为一种以四面体锂硼氧结构为中心、并主要以柔性醚氧链段为侧链的聚合物,可在传统PEO链段运动导Li+的基础上实现低的结晶度和高的解离度,从而获得高的离子电导率与阳离子迁移数,本发明的主要技术方案如下:
一种硼酸酯锂固态电解质,所述硼酸酯锂的结构通式如式Ⅰ所示:
其中,Ar1为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
Ar2为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
R为以下化学结构中的任意一种或两种以上:
其中,n=2-100。
进一步地,如图1所示,上述硼酸酯锂可用以下方法制备,该制备方法包括如下步骤:
S1:将聚醚化合物与羟基活性物混合,在惰性气体保护或抽真空下进行反应得到聚合物侧链单体;
S2:向步骤S1中得到的聚合物侧链单体中加入锂源化合物与硼源化合物,惰性气体保护下100~250℃加热2-8h,即得到硼酸酯锂;
其中,S1中所述聚醚化合物与所述羟基活性物的摩尔比为1:(0-2);S2中硼源化合物、锂源化合物和聚合物侧链单体的摩尔比为(1-1.2):1:(3.5-4.2)。
进一步地,所述S1中聚醚化合物为聚乙二醇(PEG)、聚乙二醇单甲醚(mPEG)、聚1,2-丙二醇和聚1,3-丙二醇中的任意一种或两种以上的混合物,所述聚醚化合物的数均分子量为150-2000。
进一步地,所述S1中羟基活性物为甲酸、乙酸、草酸、乙醇酸和金属锂中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述S1中,惰性气体为氮气或氩气。
进一步地,所述S1在以下①或②条件中进行反应:
①50-120℃下搅拌1-12h;
②70-150℃下共沸回流加热搅拌1-12h。
进一步地,所述S2中,锂源化合物为无水氢氧化锂、一水合氢氧化锂和无水碳酸锂中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述S2中,硼源化合物为硼酸、氧化硼和偏硼酸中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述硼酸酯锂固态电解质可仅由所述硼酸酯锂制备而成;也可由硼酸酯锂和锂盐混合制备而成,所述锂盐为LiTFSI、LiPF6、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiBF4、LiFSI、LiFTFSI、LiAlCl4、LiSbF6、LiPO2F2、LiDTI和LiAsF6中的任意一种或两种以上的混合物;其中,所述硼酸酯锂中的醚氧数与所述锂盐中的锂离子(Li+)的摩尔比为(1~100):1。
上述的硼酸酯锂固态电解质,可继续与有机溶剂、无机物和多孔骨架材料中的任意一种或两种以上的混合物进行复合,制备复合电解质。
进一步地,所制备的复合电解质中,所述有机溶剂为甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、二甲氧甲烷、二乙二醇二甲醚、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、丙二腈、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、氟代碳酸乙烯酯和戊二腈中的任意一种或两种以上的混合物;
进一步地,所述无机物为氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、勃姆石、氢氧化镁、氢氧化钡、氧化物锂离子电解质或硫化物锂离子电解质中的任意一种或两种以上的混合物。
进一步地,所述多孔骨架材料为PET、PP、PE、PI、PA、PVFM、PVB、PVDF、PMIA、PBO和纤维素中的任意一种或两种以上的混合物。
如上所述的硼酸酯锂固态电解质或复合电解质均可用于制备锂电池或锂离子电池。
一种锂电池,其电解质为如上所述的所述硼酸酯锂固态电解质或所述复合电解质。
一种锂离子电池,其电解质为如上所述的硼酸酯锂固态电解质或所述复合电解质。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
称取16.0000g PEG400和0.2776g金属锂,将两者加入三口烧瓶,三口烧瓶中通氩气保护,将三口烧瓶置于控温电加热套中,在50℃下加热搅拌24h,随后向三口烧瓶内加入0.6180g硼酸和0.2394g无水氢氧化锂,升温至100℃加热搅拌1h后,升温至220℃加热搅拌6h,自然冷却,取产物于60℃真空干燥12h,干燥结束转移至手套箱,即制得硼酸酯锂,该硼酸酯锂即为硼酸酯锂电解质M1。
实施例2
称取16.0000g PEG400加入三口烧瓶,通氮气保护,向烧瓶内加入0.6180g硼酸、0.2394g无水氢氧化锂,100℃加热搅拌1h,升温至220℃加热搅拌8h,自然冷却,取产物于60℃真空干燥12h,干燥结束转移至手套箱,即制得硼酸酯锂,该硼酸酯锂即为硼酸酯锂电解质M2。
将本实施例所制备的硼酸酯锂电解质M2用红外光谱仪进行分析,表征结果如图2所示。如图2,3502cm-1处为缔合-OH键的伸缩振动吸收峰,2853cm-1处为C-H键的伸缩振动吸收峰,1470cm-1处与1348cm-1处分别为B-O键的非对称伸缩振动与对称振动吸收峰,1309cm-1处为C-O-B键伸缩振动吸收峰,1089cm-1处为醚链C-O伸缩振动吸收峰,844cm-1处为B-O特征变形振动吸收峰。以上红外光谱吸收峰的对应,说明所制得产物结构与预期聚合物相符,该实施例方法可成功制备所述硼酸酯锂电解质M2。
实施例3
称取19.2000g PEG400、3.6504g乙醇酸,将两者加入三口烧瓶,通氮气保护,置于控温搅拌电加热套80℃下加热搅拌4h,随后向烧瓶内加入0.7416g硼酸、0.2873g无水氢氧化锂,100℃加热搅拌1h,升温至220℃加热搅拌6h,自然冷却,取产物于60℃真空干燥12h,干燥结束转移至手套箱,即制得硼酸酯锂,该硼酸酯锂即为硼酸酯锂电解质M3。
实施例4
称取20.8000g PPG400、2.3920g甲酸,将两者加入三口烧瓶,通氮气保护,置于控温搅拌电加热套80℃下加热搅拌4h,随后向烧瓶内加入0.8034g硼酸、0.3112g无水氢氧化锂,100℃加热搅拌1h,升温至220℃加热搅拌6h,自然冷却,取产物于60℃真空干燥12h,干燥结束转移至手套箱,即制得硼酸酯锂,该硼酸酯锂即为硼酸酯锂电解质M4。
实施例5
称取8.0000g PEG200、1.8412g甲酸、3.6016g草酸,将三者加入三口烧瓶,通氮气保护,置于控温搅拌电加热套90℃下加热搅拌4h,随后向烧瓶内加入0.6180g硼酸、0.2394g无水氢氧化锂,100℃加热搅拌2h,升温至220℃加热搅拌5h,自然冷却,取产物于60℃真空干燥12h,干燥结束转移至手套箱,即制得硼酸酯锂,该硼酸酯锂即为硼酸酯锂电解质M5。
实施例6
取9.6823g硼酸酯锂电解质M1、1.4358g LiTFSI,将两者加入三口烧瓶,氮气保护下220℃加热搅拌1h,得到聚合硼酸酯基固态电解质M6。
实施例7
称取含硼酸酯锂电解质M1、含硼酸酯锂电解质M2和含硼酸酯锂电解质M6各3g,各自与7g二甲基亚砜混合40℃下搅拌3h得到溶液,分别取三者溶液各3.5g倾倒至洁净玻璃板表面,将玻璃板置于水平加热台80℃干燥36h,冷却至室温,分别得到以M1、M2、M6制得的聚合物固态电解质膜,膜厚度控制为500μm左右。取三者电解质膜冲片制成直径14mm圆片,以直径12mm的不锈钢圆片为正负极,利用叠片制造工艺,将正极、电解质膜和负极依次叠加分别制备出扣式电池C1、C2和C3。(需要说明的是,本实施例中,将M1、M2和M6电解质制备成电解质膜的方式和条件以及扣式电池的制备方式和条件,均采用本行业常规的制备方式和条件进行制备,此处不再赘述)。
将本实施例所制备的扣式电池C1、C2和C3分别进行60℃交流阻抗测试,测试结果如图3所示。结合固态电解质膜尺寸参数与阻抗测试数据,计算得到其离子电导率。
对比例
分别称取10.0000g PEO(分子量为100000)、2.6101g LiTFSI,同50mL乙腈混合加入烧瓶中密封,50℃下恒温搅拌8h后,取5mL溶液倒入直径120mm超平玻璃皿,置于50℃真空烘箱中干燥12h,即得到PEO基固态电解质P1。
将实施例1-6以及对比例所制备的电解质于60℃进行交流阻抗测试,并计算得到其离子电导率,结果如表1所示。
表1实施例1~6与对比例的60℃离子电导率测试结果
根据表1测试结果,硼酸酯锂固态电解质的离子电导率相较于传统PEO基固态电解质具有明显优势,所制备的硼酸酯锂固态电解质于60℃下离子电导率普遍可达10-4S/cm,此外,向制得的硼酸酯锂电解质中继续混入适量锂盐,可进一步提高该电解质的离子电导率。
综上,本发明所提供的硼酸酯锂,可实现较高的离子电导率与阳离子迁移数,在较宽的温度范围内具有良好的机械稳定性和化学稳定性,且本发明制备工艺简单,易于工业化生产。
应当指出的是,以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的专业技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的硼酸酯锂固态电解质,其特征在于,所述硼酸酯锂固态电解质由所述硼酸酯锂制备而成。
3.根据权利要求1所述的硼酸酯锂固态电解质,其特征在于,所述硼酸酯锂固态电解质由所述硼酸酯锂和锂盐混合制备而成。
4.根据权利要求3所述的硼酸酯锂固态电解质,其特征在于,所述锂盐为LiTFSI、LiPF6、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiBF4、LiFSI、LiFTFSI、LiAlCl4、LiSbF6、LiPO2F2、LiDTI和LiAsF6中的一种或两种以上的混合物;其中,所述硼酸酯锂中的醚氧数与所述锂盐中的Li+的摩尔比为(1-100):1。
5.一种复合电解质,其特征在于,所述复合电解质由权利要求1-4任一项所述的硼酸酯锂固态电解质与有机溶剂、无机物和多孔骨架材料中一种或两种以上复合所得。
6.根据权利要求5所述的复合电解质,其特征在于,所述有机溶剂为甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧戊环、二甲氧基甲烷、二乙二醇二甲醚、乙腈、丙酮、二甲基亚砜、丙二腈、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、氟代碳酸乙烯酯和戊二腈中的任意一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求5所述的复合电解质,其特征在于,所述无机物为氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、勃姆石、氢氧化镁、氢氧化钡、氧化物锂离子电解质或硫化物锂离子电解质中的任意一种或两种以上的混合物。
8.根据权利要求5所述的复合电解质,其特征在于,所述多孔骨架材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、聚间苯二甲酰间苯二胺、聚对苯撑苯并二噁唑和纤维素中的任意一种或两种以上的混合物。
9.一种锂电池,其特征在于,包括如权利要求1-4任一项所述的硼酸酯锂固态电解质或如权利要求5-8任一项所述的复合电解质。
10.一种锂离子电池,其特征在于,包括如权利要求1-4任一项所述的硼酸酯锂固态电解质或如权利要求5-8任一项所述的复合电解质。
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