CN114122440A - 一种锂/氟化碳或锂/金属氟化物电池电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高放电平台锂/氟化碳电池及金属氟化物电池的电解液及其制备方法,本发明属于电池技术领域。本发明的高放电电压平台电解液,其中溶剂包括含酰胺基团有机溶剂(式A、B)和酯类溶剂的组合。本发明的电解液特点是:与高比能氟化碳正极/金属氟化物正极良好的相容性,能够有效促进Li+的溶剂化配对,提升Li+迁移速率,提升锂/氟化碳电池及金属氟化物电池的放电能量密度,且具有良好的高/低温放电性能。将此电解液应用于锂/氟化碳电池及金属氟化物电池领域,使用简单,使用范围广,能量密度提升高。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域,特别涉及一种锂/氟化碳或金属氟化物电池的高放电电压平台含酰胺基团电解液。
背景技术
随着上世纪70年代首个锂电池被制备,现在锂电池在世界上各个领域都有应用。锂/氟化碳电池是最早开始商业化的固体正极锂一次电池,其质量比容量达到0.86Ah/g,理论质量比能量为2180Wh/kg,在现有商品化锂原电池中具有明显优势。[1]此外,由于其高质量比能量、自放电低、耐低温工作、无毒无害等特性,满足我国部分特殊领域对于轻量化、可植入型能源的需要。因此,锂/氟化碳电池广泛应用于国防、军工、医疗领域。相较于锂二次电池,锂一次电池更加追求高比能量的放电特性,故对其电解液的探索是一个关键的研究方向,调控电解液使其与氟化碳正极材料相适应,能够最大化地发挥其能量密度。
然而,氟化碳作为正极材料,伴随着其本征导电性差、电极动力学低,造成了其初始的放电高极化,带来比能量和电压平台损失。随着反应生成导电碳,锂/氟化碳电池的放电平台电压才逐渐升高。
研究者们通常采用四种路线去提升锂氟化碳电池的放电性能。第一,从材料本身出发,通过调整氟源和碳源,以及不同的合成温度、合成时间、合成气氛等,调控氟化碳材料的结构特征以及氟化区域、氟化程度来提升材料的放电比容量、与电解液的适配性等;第二,从材料改性角度出发,鉴于氟化碳初始的导电性差造成的电压滞后特性,可以在其表面包覆良离子导体,改善氟化碳的初始电压极化;第三,通过向正极/电解液中加入额外的可提供容量的第二固体/液体电极,在放电至某一电压时额外提供一个电压平台,很大地提升了锂/氟化碳电池的能量密度;第四,通过发明电解液溶剂,使氟化碳的放电电压平台、初始电压极化、放电比容量、放电平台长度得到提升,从而大幅度地增加其能量密度。
有鉴于此,我们提供了一种应用于锂/氟化碳或金属氟化物电池的含酰胺基团高放电电压平台电解液。一方面能够大大提高放电过程中的Li+-溶剂化配对效应,提升放电电压平台;另一方面,其在低温下依然拥有良好的放电表现,能够满足锂/氟化碳电池在特殊领域的使用需要;此外,适用于锂/氟化碳或金属氟化物电池含酰胺基团高放电电压平台电解液的制备具有成本低、易操作等特点,为实现高能量密度锂/氟化碳一次电池及金属氟化物电池的产业化提供了新的思路。
申请前与本发明本关的参考资料:
Y.Zhang,H.Feng,X.Wu,L.Wang,A.Zhang,T.Xia,H.Dong,X.Li,L.Zhang,Progressof electrochemical capacitor electrode materials:A review,InternationalJournal of Hydrogen Energy 34(11)(2009)4889-4899.
发明内容
本发明的目的在于通过提升能量密度、宽温域、成本低、配制简单、可行性强的方法设计一种含酰胺基团高放电电压平台电解液应用于锂/氟化碳一次及金属氟化物电池,解决锂/ 氟化碳电池存在的电压延迟高,能量密度追求高等实际问题,为锂/氟化碳及金属氟化物电池的开发提供新的方向,也为产业化提供新的方向。
之前的研究者鲜有对氟化材料与电解液的相互作用机制进行研究从而目的性地提升氟化材料的放电电压平台,本专利发明了一种含酰胺官能团的溶剂,它能够高效调控氟化碳放电过程中的溶剂化-去溶剂化过程,对整个分子空间构型起到优化作用,并通过缔合效应吸引F 离子,增强Li-F键及削弱C-F键。总的来说,一方面,此含酰胺官能团溶剂与脂类、醚类溶剂的混合能够改善-C=O-N-R平面的空间构型,降低电化学反应能垒,使得溶剂化缔合分子团簇能够更好的插层进入氟化碳层间,并削弱C-F键,吸引F-;另一方面此溶剂的引入还可以减小电化学阻抗,减缓初始电压延迟以及提升放电电压平台。氟化碳一次电池的具体的反应机理如下:
1st step Anode:xLi+xS→xLi+.S+xe(S-溶剂)
Cathode:CFx+xLi+.S+xe→C(Li+.S–F-)x(溶剂化过程)
2nd step C(Li+.S–F-)x→C+xLiF+xS(去溶剂化过程)
本发明包括以下步骤:
1)氟化碳/金属氟化物正极材料、导电剂、粘结剂、分散剂通过磁力搅拌或者球磨得到正极活性浆料,并涂覆在铝箔集流体上,真空干燥得到正极氟化碳/金属氟化物电极片。
2)在水/氧含量均低于0.1ppm的Ar气手套箱中配制含酰胺基团电解液
3)电池组装:将步骤1所得到的电极片居中放在正极壳上,滴入50μL步骤2配制的电解液,再加入一片商用PP隔膜,待其充分浸润后,再滴入50μL电解液,扣上锂金属负极组装得到锂/氟化碳或金属氟化物电池。
4)对步骤3所得到的锂/氟化碳或金属氟化物电池进行放电性能测试
在步骤1)中,所述氟化碳/金属氟化物阴极材料包括氟碳质量比为0.1-1.5的氟化碳、氟化铁、氟化镍、氟化铜、氟化钴、氟化锌、氟化锰等金属氟化物。
在步骤2)中,富含酰胺基团的电解液,包括含酰胺基团有机物(如式A),与酯类溶剂进行组合,锂盐浓度为0.1mol/L-10mol/L。
包含酯类、醚类共溶剂;
包含锂盐。
如式Ⅰ,其中R1、R2、R3,R1、R2、R3包括氢原子、卤素原子、含氧原子的官能团,也包括亚烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基,也包括被卤素原子部分或全部取代的烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基。
式Ⅰ表述的电解液成分包括但不局限于式Ⅰ-1至式Ⅰ-21的至少一种:
从左至右,按顺序依次为(Ⅰ-1)、(Ⅰ-2)、(Ⅰ-3)、(Ⅰ-4)、(Ⅰ-5)、(Ⅰ-6)、(Ⅰ-7)、(Ⅰ-8)、(Ⅰ-9)、(Ⅰ-10)、(Ⅰ-11)、(Ⅰ-12)、(Ⅰ-13)、(Ⅰ-14)、(Ⅰ-15)、(Ⅰ-16)、(Ⅰ-17)、(Ⅰ-18)、(Ⅰ -19)、(Ⅰ-20)、(Ⅰ-21)
包括式Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C、ⅡD,其中R1,R1’,R2,R2’,R3, R4,R4’,R5,R5’,R6,R6’,R7,R8,R8’,R9,R9’,R10,R10’,R11,R11’,R12, R13,R13’,R14,R14’,R15,R15’,R16,R16’,R17,R17’,R18包括氢原子、卤素原子、含氧原子的官能团,也包括亚烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基,也包括被卤素原子部分或全部取代的烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基:
从左至右,依次为(Ⅱ-A)、(Ⅱ-B)、(Ⅱ-C)、(Ⅱ-D);
式Ⅱ表述的电解液成分包括但不局限于式Ⅱ-1至式Ⅱ-16中的至少一种:
从左至右,按顺序依次为(Ⅱ-1)、(Ⅱ-2)、(Ⅱ-3)、(Ⅱ-4)、(Ⅱ-5)、(Ⅱ-6)、(Ⅱ-7)、(Ⅱ-8)、 (Ⅱ-9)、(Ⅱ-10)、(Ⅱ-11)、(Ⅱ-12)、(Ⅱ-13)、(Ⅱ-14)、(Ⅱ-15)、(Ⅱ-16)。
还包括式Ⅲ-A、Ⅲ-B、Ⅲ-C、Ⅲ-D,其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R6’、R7、R8、R9、R10、R10’、R11、R11’、R12、R13、R14、R15、R15’、R16、R16’、 R17、R17’、R18包括氢原子、卤素原子、含氧原子的官能团,也包括亚烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基,也包括被卤素原子部分或全部取代的烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、环烃基:
从左至右,依次为(Ⅲ-A)、(Ⅲ-B)、(Ⅲ-C)、(Ⅲ-D)。
所述式Ⅲ表述的电解液成分包括但不局限于式Ⅱ-1至式Ⅱ-16中的至少一种:
从左至右,按顺序依次为(Ⅲ-1)、(Ⅲ-2)、(Ⅲ-3)、(Ⅲ-4)、(Ⅲ-5)、(Ⅲ-6)、(Ⅲ-7)、(Ⅲ-8)、 (Ⅲ-9)、(Ⅲ-10)、(Ⅲ-11)、(Ⅲ-12)、(Ⅲ-13)、(Ⅲ-14)、(Ⅲ-15)、(Ⅲ-16)。
含酰胺基团溶剂具体包括但不限于4-甲氧基苯甲酰胺、苯甲磺酰胺、苯磺酰胺、硫代丙酰胺、琥珀酰胺、己二酰二胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基丙酰胺、 N,N-二甲基丁酰胺、N,N-二甲基戊酰胺、N,N-二甲基己酰胺、N,N-二甲基庚酰胺、N,N-二甲基辛酰胺、N,N-二甲基壬酰胺、N,N-二甲基癸酰胺、N,N-二甲基十一酰胺、N,N-二甲基十二酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、2,2-二氯乙酰胺、N-乙烯基乙酰胺、4-哌啶甲酰胺中的一种或几种组合;其中酰胺基溶剂的百分含量为1-80%。
所包含的酯类溶剂包括但不局限于碳酸甲基酯、碳酸乙基酯、碳酸丙基酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯中的一种或几种组合;
所包含的醚类溶剂包括但不限于四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、二甲氧基甲烷、1,2-二甲氧基乙烷和二甘醇二甲醚中的一种或几种组合。
电解液锂盐包括但不限于六氟磷酸锂((LiPF6))、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、双二氟磺酰亚胺锂(LiFSi)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSi)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、四氯化铝锂(LiALCL4)、硝酸锂(LiNO3)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、硫酸锂(Li2SO4)、碳酸锂(Li2CO3)、草酸锂(Li2C2O4)、甲酸锂(CHLiO2)、乙酸锂(CH3COOLi)中的一种或几种的组合。
所包含的添加剂包括但不限于环状碳酸酯类如碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC),磺酸酯类如1,3-丙烯磺酸内酯(PST),腈类添加剂如辛二腈(SUN)、丁二腈(SN),硼基添加剂如四甲基硼酸酯(TMB)、硼酸三甲酯(TB)、三(三甲基硅烷)硼酸酯(TMSB),含硫添加剂如亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、二甲基亚硫酸酯(DMS)、二乙基亚硫酸酯(DES)、硫酸乙烯酯(DTD)等。
具体实施方式
为了进一步更加清楚地说明本发明,下面将具体实施例对本发明进一步详细说明,本发明的实施方法不限于以下实施例。
实施例1:
a)电极制作:称取0.9g高度氟化的氟化碳(F/C=1.0)与0.05g的乙炔黑(AB)、0.05g的PVDF分散在10ml的NMP中,使用磁子1500r/min高速搅拌4h后,使用0.2mm 的刮刀均匀地涂覆在铝箔上,再转移到110℃的真空高温干燥箱中干燥6h后裁成Φ=10mm的氟化碳阴极圆片,其负载量约为2.5-3.5mg/cm2。
b)电解液配制:在水/氧含量均低于0.1ppm的Ar气手套箱中,将碳酸丙烯酯与Ⅰ-3以体积比2:8配成混合溶剂,并加入1.0mol/L的四氟硼酸锂作为锂盐,制成电解液。
c)电池制作:使用所制备的氟化碳阴极片与金属锂阳极、所制备的电解液、商用PP隔膜组装成扣式电池。对所制备的锂/氟化碳电池以50mA g-1电流密度恒流放电至1.5V,得到其放电性能曲线。
实施例2:
a)电极制作:同实例1
b)电解液配制:在水/氧含量均低于0.01ppm的Ar气手套箱中,将碳酸丙烯酯与Ⅰ-4以体积比2:8配成混合溶剂,并加入1.0mol/L的四氟硼酸锂作为锂盐,制成电解液。
c)电池制作:同实例1
对所制备的锂/氟化碳电池以50mA g-1电流密度恒流放电至1.5V,得到其放电性能曲线。
实施例3:
a)电极制作:同实例1
b)电解液配制:在水/氧含量均低于0.1ppm的Ar气手套箱中,将碳酸丙烯酯与Ⅰ-9以体积比2:8配成混合溶剂,并加入1.0mol/L的四氟硼酸锂作为锂盐,制成电解液。
c)电池制作:同实例1
对所制备的锂/氟化碳电池以50mA g-1电流密度恒流放电至1.5V,得到其放电性能曲线。
实施例4-实施例16除电解液配方外,与实施例1-3其他实施步骤相同,具体见表1。
对比例1:
作为对照组,本对比例采用不含酰胺基团以及碳酸丙烯酯的市售电解液,其电解液配方为 1mol/L LiPF6作为锂盐,碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯以体积比3:7作为溶剂。
a)电极制作:称取0.9g高度氟化的氟化碳(F/C=1.0)与0.05g的乙炔黑(AB)、0.05g的 PVDF分散在10ml的NMP中,使用磁子1500r/min高速搅拌4h后,使用0.2mm的刮刀均匀地涂覆在铝箔上,再转移到110℃的真空高温干燥箱中干燥6h后裁成Φ=10mm的氟化碳阴极圆片,其负载量约为2.5-3.5mg/cm2。
b)电池制作:使用所制备的氟化碳阴极片与金属锂阳极、电解液、商用PP隔膜组装成扣式电池。
对所制备的锂/氟化碳电池以50mA g-1电流密度恒流放电至1.5V,得到其放电性能曲线。
对比例2:
a)电极制作:称取0.9g高度氟化的氟化碳(F/C=1.0)与0.05g的乙炔黑(AB)、0.05g的 PVDF分散在10ml的NMP中,使用磁子1500r/min高速搅拌4h后,使用0.2mm的刮刀均匀地涂覆在铝箔上,再转移到110℃的真空高温干燥箱中干燥6h后裁成Φ=10 mm的氟化碳阴极圆片,其负载量约为2.5-3.5mg/cm2。
b)电解液配制:在水/氧含量均低于0.1ppm的Ar气手套箱中,将碳酸丙烯酯与乙二醇二甲醚以体积比5:5配成混合溶剂,并加入1.0mol/L的四氟硼酸锂作为锂盐,制成电解液。
c)电池制作:使用所制备的氟化碳阴极片与金属锂阳极、电解液、商用PP隔膜组装成扣式电池。
对所制备的锂/氟化碳电池以50mA g-1电流密度恒流放电至1.5V,得到其放电性能曲线。
对比例1、2、3具体见表1。
表1:具体的实施方式汇总
Claims (14)
8.根据权利要求1所述电解液,其特征在于:所述的含酰胺基团溶剂包括4-甲氧基苯甲酰胺、苯甲磺酰胺、苯磺酰胺、硫代丙酰胺、琥珀酰胺、己二酰二胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基丙酰胺、N,N-二甲基丁酰胺、N,N-二甲基戊酰胺、N,N-二甲基己酰胺、N,N-二甲基庚酰胺、N,N-二甲基辛酰胺、N,N-二甲基壬酰胺、N,N-二甲基癸酰胺、N,N-二甲基十一酰胺、N,N-二甲基十二酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、2,2-二氯乙酰胺、N-乙烯基乙酰胺、4-哌啶甲酰胺中的一种或几种组合;
所包含的酯类溶剂包括碳酸甲基酯、碳酸乙基酯、碳酸丙基酯、碳酸甲基乙基酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯中的一种或几种组合;
所包含的醚类溶剂包括四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、二甲氧基甲烷、1,2-二甲氧基乙烷和二甘醇二甲醚中的一种或几种组合。
9.根据权利要求1所述的电解液,其特征在于:所述电解液锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、双二氟磺酰亚胺锂(LiFSi)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSi)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、四氯化铝锂(LiALCL4)、硝酸锂(LiNO3)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、硫酸锂(Li2SO4)、碳酸锂(Li2CO3)、草酸锂(Li2C2O4)、甲酸锂(CHLiO2)、乙酸锂(CH3COOLi)中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求1所述的电解液,其特征在于所包含的添加剂包括环状碳酸酯类碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC),磺酸酯类如1,3-丙烯磺酸内酯(PST),腈类添加剂如辛二腈(SUN)、丁二腈(SN),硼基添加剂如四甲基硼酸酯(TMB)、硼酸三甲酯(TB)、三(三甲基硅烷)硼酸酯(TMSB),含硫添加剂如亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、二甲基亚硫酸酯(DMS)、二乙基亚硫酸酯(DES)、硫酸乙烯酯(DTD)。
11.根据权利要求1所述的电解液,其特征在于:所述酰胺基溶剂的溶剂百分含量为1-80%。
12.根据权利要求1-10所述的电解液,其应用于高比能锂||氟化碳及锂||金属氟化物电池,作为电解液使用,其中氟化碳的氟碳比为0.1-1.5。
13.根据权利要求12所述的锂||氟化碳及锂||金属氟化物电池,其包括氟化碳/金属氟化物阴极材料、锂金属负极、隔膜、富含酰胺基团电解液、粘结剂、导电剂;其中氟化碳/金属氟化物阴极材料包括氟碳质量比为0.1-1.5的氟化碳、氟化铁、氟化镍、氟化铜、氟化钴、氟化锌、氟化锰等金属氟化物;导电剂为Super p、乙炔黑(AB)、科琴黑(KB)、气相生成碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯、S-O、KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15中的一种或几种;粘结剂为PVDF、CMC/SBR、PAA、PTFE、PVA中的一种或几种。
14.根据权利要求11所述的锂||氟化碳及锂||金属氟化物电池,其负极由锂金属电极,或是经过结构/材料改性后的锂金属合金电极如框架锂负极3D镍泡沫锂电极、锂化石墨负极石墨烯碳纳米管锂电极或锂化硅负极碳硅复合纳米纤维锂电极;或是由碳负极材料,人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳;或是锡基负极材料,锡的氧化物和锡基复合氧化物;或是含锂过渡金属氮化物负极材料。
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