CN114006030B - 一种电解质及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域,尤其涉及一种电解质及其制备方法和应用。本发明提供的电解质,按照质量份数计,包括以下组分:硅氧烷聚合物2~20重量份;添加剂5~20重量份;深共晶溶剂60~95重量份;所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体。所述电解质在室温下具有较好的倍率性能和在‑40~60℃的温度范围内具有良好的充放电循环性能,并且不可燃,降低了安全隐患。

Description

一种电解质及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,尤其涉及一种电解质及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池因具有超高的能量密度和耐受电压,为新能源的广泛存储与使用提供了新契机。随着电子产品的不断发展,锂离子电池也得到了迅速发展,但是也存在一些问题限制了锂离子电池在一些领域中的应用,比如,由于高倍率锂离子电池具有充电时间短等特点,广泛应用于手机、无人机等电子产品;低温锂离子电池在高寒,高海拔地区及国防、航空等领域需求巨大,锂离子电池在这些极端特殊领域的应用继续解决。商用电解液通常是一些碳酸酯类的有机溶剂,这些商用电解质不仅充电倍率小,还具有易燃的风险。因此,开发一种新型高倍率、耐低温且不易燃的聚合物电解质是一个重要的研究与应用方向。
例如,公开号为CN112886058A的中国专利公开了一种锂离子电池宽温电解液,包括锂盐、有机溶剂和添加剂,添加剂为碳酸酯改性的硅氧烷类和烯丙基三甲硅烷,添加剂的用量占电解液质量的0.05%~1%,能有效的改善锂离子电池的高低温循环性能,提高电池循环寿命。但是该方法在高温下易爆炸,仍具有一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种电解质及其制备方法和应用,所述电解质在室温下具有较好的倍率性能和在低温下的充放电循环性能,并且不可燃,降低了安全隐患。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种电解质,按照质量份数计,包括以下组分:
硅氧烷聚合物 2~20重量份;
添加剂 5~20重量份;
深共晶溶剂 60~95重量份;
所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;
所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;
所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体。
优选的,所述聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂的质量比为1:(0.1~1):(0.0001~0.0005)。
优选的,所述催化剂包括四(三苯基膦)铂、碘化铝、氯铂酸和硼酸中的一种或几种。
优选的,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂包括接枝有三聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有七聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有九聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有十五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂或接枝有二十聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂。
优选的,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂的制备原料包括端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸和第一催化剂;
所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基甲硅氧烷基)硅酸和第一催化剂的质量比为1:(0.2~0.8):(0.00001~0.0005)。
优选的,所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸的制备原料包括四甲氧基硅烷和二甲基一氯硅烷;
所述第一催化剂包括氯铂酸;
所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚的制备原料包括聚(乙二醇)单甲基醚和烯丙基溴。
优选的,所述添加剂包括氟代碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、氯代碳酸乙烯酯、氯代甲酸甲酯和碳酸亚乙烯酯中的一种或几种。
优选的,所述锂盐和氢键供体的质量比为(1~5):(1~4)。
优选的,所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双二氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和高氯酸锂中的一种或几种;
所述氢键供体包括丁二腈、N-甲基乙酰胺、尿素中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述的电解质的制备方法,包括以下步骤:
将锂盐和氢键供体混合,得到深共晶溶剂;
将聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂混合,进行聚合反应,得到硅氧烷聚合物;
将所述深共晶溶剂、硅氧烷聚合物和添加剂混合,得到所述电解质。
本发明还提供了上述技术方案所述的电解质或由上述技术方案所述制备方法制备得到的电解质在锂离子电池中的应用。
本发明提供了一种电解质,按照质量份数计,包括以下组分:硅氧烷聚合物2~20重量份;添加剂5~20重量份;深共晶溶剂60~95重量份;所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体。在本发明中,所述硅氧烷聚合物本身具有不可燃性质,使其制备得到的电解质同样也具有不可燃的性能;同时本发明所述的电解质具有离子电导率高和弱溶剂化作用,使其离子传输速率快,离子极化作用小,因此该电解质具有室温高倍率性能和低温循环性能。
附图说明
图1为实施例5所述硅氧烷聚合物的1H NMR图;
图2为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在25℃,10C的电流密度下的不同圈数下的电压-容量关系曲线;
图3为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在-10℃,0.1C的电流密度下下的不同圈数下的电压-容量关系曲线;
图4为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在-40℃,0.1C的电流密度下进行充放电测试后的循环性能曲线;
图5为实施例5所述电解质的不可燃测试。
具体实施方式
本发明提供了一种电解质,按照质量份数计,包括以下组分:
硅氧烷聚合物 2~20重量份;
添加剂 5~20重量份;
深共晶溶剂 60~95重量份;
所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;
所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;
所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体。
在本发明中,若无特殊说明,所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
按照质量份数计,本发明所述电解质包括硅氧烷聚合物2~20重量份,优选为5~16重量份,更优选为7~13重量份。
在本发明中,所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;所述聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂的质量比优选为1:(0.1~1):(0.0001~0.0005),更优选为1:(0.1~1):(0.0001~0.0003),最优选为1:(0.1~1):(0.00015~0.0002)。
在本发明中,所述催化剂优选包括四(三苯基膦)铂、碘化铝、氯铂酸和硼酸中的一种或几种;当所述催化剂为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述硅氧烷聚合物的制备原料还优选包括溶剂;所述溶剂优选包括甲醇、乙醇、水、四氢呋喃、乙腈和甲苯中的一种或两种;当所述溶剂为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;所述八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷的质量比优选为1:(0.01~0.05),更优选为1:(0.01~0.02)。在本发明中,所述聚硅氧烷主链的制备原料还优选包括催化剂,所述催化剂优选为四甲基氢氧化铵。在本发明中,所述八甲基环四硅氧烷和催化剂的质量比优选为1:(0.001~0.006),更优选为1:(0.002~0.005),最优选为1:(0.003~0.004)。
在本发明中,所述聚硅氧烷主链的制备过程优选包括以下步骤:
将八甲基环四硅氧烷、四甲基二乙烯基硅氧烷和催化剂混合,进行聚合反应,得到所述聚硅氧烷主链。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中,所述聚合反应的温度优选为80~150℃,更优选为90~140℃,最优选为100~120℃;本发明对所述聚合反应的时间没有任何特殊的限定,能够保证制备得到的聚硅氧烷主链的聚合度在20~100的范围内即可。
在本发明中,所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂优选包括接枝有三聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有七聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有九聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有十五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂或接枝有二十聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂。
在本发明中,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂的制备原料优选包括端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸和第一催化剂。在本发明中,所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸和第一催化剂的质量比优选为1:(0.2~0.8):(0.00001~0.0005),更优选为1:(0.4~0.6):(0.0001~0.003),最优选为1:(0.4~0.6):(0.00015~0.0002)。
在本发明中,所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚优选包括端烯丙基三聚(乙二醇)单甲醚、端烯丙基五聚(乙二醇)单甲醚、端烯丙基七聚(乙二醇)单甲醚、端烯丙基九聚(乙二醇)单甲醚、端烯丙基十五聚(乙二醇)单甲醚或端烯丙基二十聚(乙二醇)单甲醚。
在本发明中,所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚的制备原料优选包括聚(乙二醇)单甲基醚和烯丙基溴;所述聚(乙二醇)单甲基醚和烯丙基溴的摩尔比优选为1:1。
在本发明中,所述聚(乙二醇)单甲基醚优选包括三聚(乙二醇)单甲醚、五聚(乙二醇)单甲醚、七聚(乙二醇)单甲醚、九聚(乙二醇)单甲醚、十五聚(乙二醇)单甲醚或二十聚(乙二醇)单甲醚。
在本发明中,所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚的制备原料还优选包括四氢呋喃和氢化钠;所述四氢呋喃为溶剂,所述氢化钠为碱。在本发明中,所述聚(乙二醇)单甲基醚和氢化钠的摩尔比优选为1:1,所述聚(乙二醇)单甲基醚和四氢呋喃的体积比优选为1:(0.5~5),更优选为1:(1~2)。
在本发明中,所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲醚的制备过程优选包括以下步骤:
将聚(乙二醇)单甲基醚、氢化钠和部分四氢呋喃混合,得到混合液;
将烯丙基溴和剩余四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述混合液和烯丙基溴溶液混合,进行亲核取代反应,得到所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲醚。
本发明将聚(乙二醇)单甲基醚、氢化钠和部分四氢呋喃混合,得到混合液。
在本发明中,所述混合优选在保护气氛中进行;所述保护气氛优选为氮气气氛或氩气气氛;所述混合优选在搅拌的条件下进行,所述搅拌的时间优选为30min,温度优选为室温;本发明对所述搅拌的转速没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的转速并保证搅拌均匀即可。
将烯丙基溴和剩余四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液。本发明对所述混合没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中,所述部分四氢呋喃和剩余四氢呋喃的体积比优选为1:(0.2~3),更优选为1:(1~2)。
得到混合液和烯丙基溴溶液后,本发明将所述混合液和烯丙基溴溶液混合,进行聚合反应,得到所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲醚。
在本发明中,所述混合优选为将烯丙基溶液滴加至所述混合液中;本发明对所述滴加的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中,所述聚合反应的温度优选为0~50℃,更优选为室温;时间优选为5~10h。在本发明中,所述聚合反应优选在搅拌的条件下进行,本发明对所述搅拌的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
所述聚合反应完成后,本发明还优选包括后处理,所述后处理优选包括依次进行的淬灭、萃取和干燥;所述淬灭采用的淬灭剂优选为丙酮,所述淬灭的目的是去除未反应的氢化钠;所述萃取采用的萃取剂优选为三氯甲烷;所述干燥优选为真空干燥;本发明对所述真空干燥的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程至所述产物达到恒重即可。
在本发明中,所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸的制备原料优选包括四甲氧基硅烷和二甲基一氯硅烷;所述四甲氧基硅烷和二甲基一氯硅烷的摩尔比优选为1:(4~10),更优选为1:(6~8)。在本发明中,所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸的制备原料还优选包括溶剂,所述四甲氧基硅烷和所述溶剂的体积比优选为1:0.1~1,更优选为1:0.4~0.6。在本发明中,所述溶剂优选包括甲醇、乙醇、水、四氢呋喃和乙腈中的一种或几种;当所述溶剂为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸的制备过程优选包括以下步骤:
将四甲氧基硅烷、二甲基一氯硅烷和溶剂混合,进行亲核取代反应,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中,所述亲核取代反应的温度优选为-10~30℃,更优选为-5~28℃,最优选为0~25℃;时间优选为2~10h,更优选为4~6h。
所述亲核取代反应完成后,本发明还优选包括后处理,所述后处理优选包括依次进行的萃取和干燥;所述萃取采用的萃取剂优选为石油醚;所述干燥优选为真空干燥;本发明对所述真空干燥的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程至所述产物达到恒重即可。
在本发明中,所述第一催化剂优选包括四(三苯基膦)铂、碘化铝、氯铂酸和硼酸,更优选包括氯铂酸。
在本发明中,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂的制备原料还优选包括溶剂;所述溶剂优选为四氢呋喃;所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚和溶剂的体积比优选为1:(0.1~1),更优选为1:(0.4~0.6)。
在本发明中,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂的制备过程优选包括以下步骤:
将端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸、第一催化剂和溶剂混合,进行接枝,得到所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中,所述接枝的温度优选为60~120℃,更优选为80~100℃,时间优选为10~24h,更优选为12~20h。
所述接枝完成后,本发明还优选包括后处理,所述后处理优选为包括依次进行的萃取和干燥;所述萃取采用的萃取剂优选为石油醚;所述萃取的目的是去除未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸;所述干燥优选为真空干燥;本发明对所述真空干燥的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程至所述产物达到恒重即可。
在本发明中,所述硅氧烷聚合物的制备方法优选包括以下步骤:
将聚硅氧烷主链、交联剂、催化剂和溶剂混合,进行Si-H加成反应,得到所述硅氧烷聚合物。
本发明对所述混合没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中,所述Si-H加成反应的温度优选为60~120℃,更优选为80~100℃;所述Si-H加成反应的时间优选为12~36h,更优选为20~30h。
所述Si-H加成反应完成后,本发明还优选包括后处理,所述后处理优选为包括依次进行的萃取和干燥;所述萃取采用的萃取剂优选为石油醚;所述萃取的目的是去除未反应的聚硅氧烷主链;所述干燥优选为真空干燥;本发明对所述真空干燥的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程至所述产物达到恒重即可。
在本发明中,所述硅氧烷聚合物的作用是提供电解质传导锂离子的能力。
以所述硅氧烷聚合物的质量份数为基准,本发明所述电解质包括添加剂5~20重量份,优选包括6~15重量份,更优选包括8~12重量份。在本发明中,所述添加剂优选包括氟代碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、氯代碳酸乙烯酯、氯代甲酸甲酯和碳酸亚乙烯酯中的一种或几种;当所述添加剂为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述添加剂的作用是在循环过程中提高电解质的循环稳定性。
以所述硅氧烷聚合物的质量份数为基准,本发明所述电解质包括深共晶溶剂60~95重量份,优选包括65~90重量份,更优选包括70~88重量份。在本发明中,所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体;所述锂盐和氢键供体的质量比优选为(1~5):(1~4),更优选为(2~4):(2~3)。
在本发明中,所述锂盐优选包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双二氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和高氯酸锂中的一种或几种;当所述锂盐为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述锂盐的作用是提供导电过程中传输所需的锂离子。
在本发明中,所述氢键供体优选包括丁二腈、N-甲基乙酰胺、尿素中的一种或几种;当所述氢键供体为上述具体选择中的两种以上时,本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定,按任意配比进行混合即可。
在本发明中,所述氢键供体的作用是提供电解质传导锂离子的能力。
本发明还提供了上述技术方案所述的电解质的制备方法,包括以下步骤:
将锂盐和氢键供体混合,得到深共晶溶剂;
将聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂混合,进行聚合反应,得到硅氧烷聚合物;
将所述深共晶溶剂、硅氧烷聚合物和添加剂混合,得到所述电解质。
本发明将锂盐和氢键供体混合,得到深共晶溶剂。
在本发明中,所述混合的温度优选为20~70℃,更优选为30~60℃,最优选为40~50℃;时间优选为0.1~12h,更优选为3~10h,最优选为5~8h。
将聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂混合,进行聚合反应,得到硅氧烷聚合物;在本发明中,所述硅氧烷聚合物的制备过程优选参考上述产品技术特征中对硅氧烷聚合物的制备方法的限定,在此不再进行赘述。
得到深共晶溶剂和硅氧烷聚合物后,本发明将所述深共晶溶剂、硅氧烷聚合物和添加剂混合,得到所述电解质。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
本发明还提供了上述技术方案所述的电解质或由上述技术方案所述制备方法制备得到的电解质在锂离子电池中的应用。本发明对所述应用的方法没有任何特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。
下面结合实施例对本发明提供的电解质及其制备方法和应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入5mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL的乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将60g所述深共晶溶剂、20g所述硅氧烷聚合物和20g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质。
实施例2
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入7mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将70g所述深共晶溶剂、10g所述硅氧烷聚合物和20g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质。
实施例3
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入7mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将70g所述深共晶溶剂、15g所述硅氧烷聚合物和15g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质。
实施例4
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入7mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将80g所述深共晶溶剂、10g所述硅氧烷聚合物和10g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质。
实施例5
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入7mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将88g所述深共晶溶剂、10g所述硅氧烷聚合物和2g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质;
其中,图1为所述硅氧烷聚合物的1H NMR图,由图1可知,硅氧烷聚合物被成功合成。
实施例6
将50mmol八甲基环四硅氧烷、1mmol四甲基二乙烯基硅氧烷和0.3mmol四甲基氢氧化铵混合,在100℃反应12h,得到聚硅氧烷主链(聚合物为20~100);
将10mmol氢化钠和10mmol七聚(乙二醇)单甲基醚加入到氮气气氛下的Schlenk管中,加入7mL四氢呋喃,在室温下搅拌30min,得到混合液;
将10mmol烯丙基溴和1mL四氢呋喃混合,得到烯丙基溴溶液;
将所述烯丙基溴溶液滴加到所述混合液中,在室温下搅拌5h后,用丙酮淬灭未反应的氢化钠,用三氯甲烷进行萃取,真空干燥至恒重,得到端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚;
将1mmol四甲氧基硅烷、8mmol二甲基一氯硅烷和0.3mL乙醇与0.6mL的水的混合溶液混合,在室温下反应4h,使用石油醚萃取三次,真空干燥至恒重,得到所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸;
将1mmol所述端烯丙基七聚(乙二醇)单甲基醚、2mmol所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸、10-4mol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应12h,使用石油醚洗去未反应的四(二甲基硅氧烷基)硅酸,得到接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
将1mmol聚硅氧烷主链、1mmol所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、10- 3mmol氯铂酸和3mL四氢呋喃混合,在100℃反应24h,得到硅氧烷聚合物;
将3g锂盐(双三氟甲基磺酰亚胺锂)和4g氢键供体(丁二腈)在50℃混合2h,得到深共晶溶剂;
将90g所述深共晶溶剂、5g所述硅氧烷聚合物和5g添加剂(氟代碳酸酯)混合,得到电解质。
测试例
以实施例1~6所述的电解质为电解质,以锂片为负极,以LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2作为正极,组装成锂离子电池;
将所述锂离子电池在室温,10C的电流密度下进行充放电循环测试,测试结果如表1所示:
表1实施例1~6所述的电解质为电解质组装得到的锂离子电池的电化学性能
Figure BDA0003263697150000151
Figure BDA0003263697150000161
由表1可知,本发明所述电解质在较好的倍率性能和充放电循环性能。
其中,图2为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在室温,10C的电流密度条件下的不同圈数下的电压-容量关系曲线,由图2可知该电解质在室温下,以10C的高电流密度下可以循环100圈,且容量保持率仍然有80%以上。
图3为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在-10℃,0.1C电流密度条件下的不同圈数下的电压-容量关系曲线,由图3可知该电解质在0.1C的电流密度下,以-10℃的低温下可以循环40圈;
图4为实施例5所述电解质组装得到的锂离子电池在-40℃,0.1C的电流密度下进行充放电测试后的循环性能曲线,由图4可知,该电解质在0.1C的电流密度下,以-40℃的超低温下可以正常工作;
图5为实施例5所述电解质的不可燃测试,由图5可以看出,该电解质在使用明火的条件下具有一定的阻燃效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电解质,其特征在于,按照质量份数计,包括以下组分:
硅氧烷聚合物 2~20重量份;
添加剂 5~20重量份;
深共晶溶剂 60~95重量份;
所述硅氧烷聚合物的制备原料包括聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂;
所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;
所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;
所述深共晶溶剂包括锂盐和氢键供体;
所述添加剂包括氟代碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、氯代碳酸乙烯酯、氯代甲酸甲酯和碳酸亚乙烯酯中的一种或几种;
所述锂盐和氢键供体的质量比为(1~5):(1~4);
所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双二氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和高氯酸锂中的一种或几种;
所述氢键供体包括丁二腈、N-甲基乙酰胺、尿素中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的电解质,其特征在于,所述聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂的质量比为1:(0.1~1):(0.0001~0.0005)。
3.如权利要求1或2所述的电解质,其特征在于,所述催化剂包括四(三苯基膦)铂、碘化铝、氯铂酸和硼酸中的一种或几种。
4.如权利要求1或2所述的电解质,其特征在于,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂包括接枝有三聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有七聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有九聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂、接枝有十五聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂或接枝有二十聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂。
5.如权利要求3所述的电解质,其特征在于,所述接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂的制备原料包括端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸和第一催化剂;
所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚、四(二甲基硅氧烷基)硅酸和第一催化剂的质量比为1:(0.2~0.8):(0.00001~0.0005)。
6.如权利要求5所述的电解质,其特征在于,所述四(二甲基硅氧烷基)硅酸的制备原料包括四甲氧基硅烷和二甲基一氯硅烷;
所述第一催化剂包括氯铂酸;
所述端烯丙基聚(乙二醇)单甲基醚的制备原料包括聚(乙二醇)单甲基醚和烯丙基溴。
7.权利要求1~6任一项所述的电解质的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将锂盐和氢键供体混合,得到深共晶溶剂;所述锂盐和氢键供体的质量比为(1~5):(1~4);所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双二氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和高氯酸锂中的一种或几种;所述氢键供体包括丁二腈、N-甲基乙酰胺、尿素中的一种或几种;
将聚硅氧烷主链、交联剂和催化剂混合,进行聚合反应,得到硅氧烷聚合物;所述交联剂包括接枝有聚(乙二醇)单甲醚的硅氧烷交联剂;所述聚硅氧烷主链的制备原料包括八甲基环四硅氧烷和四甲基二乙烯基硅氧烷;
将所述深共晶溶剂、硅氧烷聚合物和添加剂混合,得到所述电解质;所述添加剂包括氟代碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、氯代碳酸乙烯酯、氯代甲酸甲酯和碳酸亚乙烯酯中的一种或几种。
8.权利要求1~6任一项所述的电解质或由权利要求7所述制备方法制备得到的电解质在锂离子电池中的应用。
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