CN115347235B - 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池 - Google Patents

一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池 Download PDF

Info

Publication number
CN115347235B
CN115347235B CN202210884428.1A CN202210884428A CN115347235B CN 115347235 B CN115347235 B CN 115347235B CN 202210884428 A CN202210884428 A CN 202210884428A CN 115347235 B CN115347235 B CN 115347235B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion battery
sodium ion
carbonate
sodium
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210884428.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115347235A (zh
Inventor
孙旦
吴民利
王海燕
唐有根
王红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202210884428.1A priority Critical patent/CN115347235B/zh
Publication of CN115347235A publication Critical patent/CN115347235A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115347235B publication Critical patent/CN115347235B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池。钠离子电池电解液中添加
Figure DDA0003763478600000011
和/或
Figure DDA0003763478600000012
作为功能添加剂；其中，R为卤素取代基，X为氧族杂原子，Y为氮族杂原子；该功能添加剂可以优先于酯类溶剂在硬碳材料表面还原形成致密稳定且具有离子导电性的界面膜，能有效改善钠离子电池的倍率性能和循环性能。

Description

一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池
技术领域
本发明涉及一种钠离子电池电解液，特别涉及一种高倍率和循环稳定的钠离子电池电解液，属于钠离子电池电解液技术领域。
背景技术
锂离子电池自从1991年商业化以来，被广泛用于电子智能设备、交通出行工具以及能源储存等领域。但由于锂资源的有限、分布不均和开采难度较大，在未来的发展应用中受到了很大的限制。
钠元素和锂元素位于同一主族，具有相似物理化学性质，相比锂离子电池，在资源和成本上具有一定的优势。特别是在低速电动车领域，有望取代体积大、电容量低的铅酸电池。
钠离子的半径为0.102nm，比锂离子的半径0.076nm大34.2％，因此，在负极材料的选择上硬碳比石墨更为理想。传统的酯类电解液在硬碳负极形成的固体电解质界面膜较厚，而且随着循环的过程不断破裂和生长，电池内部的内阻不断增大，降低钠离子电池的倍率和循环性能。
发明内容
针对现有钠离子电池传统的酯类电解液存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种钠离子电池电解液，该电解液中添加了特殊的全氟醚类(硫醚类、胺类或膦类)添加剂，其相对电解液中的酯类有机溶剂，可以优先在硬碳材料表面进行还原形成致密稳定的固体电解质界面膜，且该界面膜含有较多的NaF无机成分，能够提高界面稳定性和离子导电性，从而能够有效改善钠离子电池的倍率性能和循环性能。
本发明的第二个目的是在于提供了一种钠离子电池，该钠离子电池通过使用添加了特殊的全氟醚类(硫醚类、胺类或膦类)添加剂的电解液，能够有效改善钠离子电池的倍率性能和循环性能。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种钠离子电池电解液，其包含式1和/或式2结构功能添加剂；
Figure BDA0003763478580000021
其中，
R为卤素取代基；
X为氧族杂原子；
Y为氮族杂原子。
本发明采用的式1和式2结构的功能添加剂是可以常规购买的商品化试剂，如可以购自上海毕得医药科技股份有限公司；品牌：毕佳索。
本发明首次采用式1或式2结构的全氟醚类、全氟硫醚类、全氟胺类或全氟膦类作为功能添加剂用于钠离子电池电解液。这些功能添加剂具有特殊的分子结构，一方面，氧族杂原子或氮族杂原子的引入会增大电解液润湿性，使得功能添加剂形成的SEI膜与酯类溶剂相比较薄且更均匀，另外一方面，分子结构中富含C-F键，具有较强的电负性和吸引电子能力，其LUMO能级与酯类溶剂相比较低，在低电位下会先于酯类溶剂还原，形成的固体电解质膜具有较多的无机成分，降低了钠离子在界面处的电荷转移阻抗，而且增大界面膜的机械强度，有利于增强钠离子电池的循环性能，此外，由于杂原子含有孤对电子，导致其不稳定，引入C-F吸电子基可以提高其稳定性。
作为一个优选的方案，式1和式2中，R为氟或氯；X为氧或硫；Y为氮或磷。优选的功能添加剂相对钠离子电池电解液中常规使用的酯类有机溶剂具有更低的LUMO能级，能够优先于酯类有机溶剂在硬碳材料表面还原，能够形成均匀致密的固体电解质界面膜，且在电解质膜中可以生成较多NaF无机盐成分，提高界面的稳定性和离子导电性，从而提升电池的循环和倍率性能。
作为一个优选的方案，所述功能添加剂在电解液中的质量百分比含量为1～10％。作为一个较优选的方案，所述功能添加剂在电解液中的质量百分比含量为2～6％。当功能添加剂的质量百分比在上述范围内时，可以在硬碳表面优先还原固体电解质界面膜，并具有适当的阻抗，从而可以兼顾电池的离子导电性能。若添加量过少，则形成的界面膜不够稳定。若添加量超过10％，不但会增加使用成本，而且可能引起部分盐钠析出，且恶化循环性能。
作为一个优选的方案，所述钠离子电池电解液包含有机溶剂、钠盐和功能添加剂。
作为一个优选的方案，所述钠离子电池电解液包括以下质量百分比组分：有机溶剂70～89％，钠盐10～20％，功能添加剂1～10％，以总质量为100％计量。
作为一个较优选的方案，所述有机溶剂包括环状碳酸酯和/或链状碳酸酯；所述环状碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中至少一种；所述链状有机溶剂包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中至少一种。
作为一个较优选的方案，所述钠盐包括六氟磷酸钠、高氯酸钠、四氟硼酸钠中至少一种。优选的钠盐均为钠离子电池电解液常规的电解质盐。
本发明还提供了一种钠离子电池，其包含所述的钠离子电池电解液，且负极为硬碳材料。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
本发明技术方案通过在常规的钠离子电池电解液中添加特殊的全氟醚类、全氟硫醚类、全氟胺类或全氟膦类功能添加剂，这些添加剂在相对环状碳酸酯或链状碳酸酯具有更低的LUMO能级，能够优先在硬碳材料表面进行还原，形成均匀致密固体电解质界面膜，且含有较多NaF无机成分，提高界面的离子导电性和稳定性，从而提升钠离子电池的循环和倍率性能。
附图说明
图1为对比例1及实施例1～6的钠离子电池其倍率性能图。
图2为对比例1及实施例1～6的150圈容量保持率测试图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例进一步说明本发明。下列实施例仅用于理解本发明，但不限制为本发明保护的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术都在保护范围内。
下述实施例中所使用的实验条件和实验方法如无特殊说明，均为常规条件和方法；下述实施例中所用的试剂、材料等如无特殊说明，均可从商业途径后买得到。
本发明的电池的制备方法如下
电解液制备方法如下：在填充氩气的真空手套箱中，将钠盐溶解于环状酯和链状酯混合的非水有机溶剂中，钠盐最终浓度为1mol/Lmol/L，然后向其中加入功能添加剂，加入磁子搅拌12h,使之混合均匀，配制得电解液。
硬碳负极制备方法如下：
将商业硬碳、导电剂SuperP和粘结剂PVDF按照质量比80:10:10的比例制成浆料，刮在集流体铜箔上并在100℃真空干燥箱下烘12h,然后裁片，搁置等待电池组装。
半电池的组装如下：
电池的组装需要在充满氩气真空的手套箱中进行，按照负极壳、钠片、隔膜、硬碳极片、正极壳顺序组装。将组装好的半电池通过封口机对电池进行封装，常温搁置24h等待电化学性能测试。
测试条件：在0.01～2V下，分别在20mAh g-1、50mAh g-1、100mAh g-1、150mAh g-1、200mAh g-1、300mAh g-1、400mAh g-1、500mAh g-1、100mAh g-1下测试，其倍率性能图如图1所示。
表1：试验选取1个对比例和9个实施例的电池进行比较和测试，其中表1分别示出了对比例1和实施例1～9的NaPF6的浓度、溶剂的选择以及比例和功能添加剂的选择和含量，其中功能添加剂中各组分用量为基于电解液总重的百分含量。
表1：对比例1和实施例1～9的NaPF6的浓度、溶剂的选择以及比例和功能添加剂的选择和含量，其中功能添加剂中各组分用量为基于电解液总重的百分含量。
编号 <![CDATA[NaPF<sub>6</sub>浓度]]> 溶剂 功能添加剂
对比例1 1.0M EC/DEC＝1:1 无
实施例1 1.0M EC/DMC＝6:4 Y为P，R为F，含量为2％
实施例2 1.0M EC/DMC＝6:4 Y为P，R为F,含量为6％
实施例3 1.0M EC/DEC＝1:1 X为O，R为F，含量为2％
实施例4 1.0M EC/DEC＝1:1 X为O，R为F，含量为4％
实施例5 1.0M EC/DEC/EMC＝1:1:1 Y为S，R为F，含量为1％
实施例6 1.0M EC/DEC/EMC＝1:1:1 Y为S，R为F，含量为10％
实施例7 1.0M EC/DEC/EMC＝1:1:1 Y为S，R为F，含量为5％
实施例8 1.0M EC/DEC/DMC＝5:2:3 Y为N，R为Cl,含量为2％
实施例9 1.0M EC/DEC/DMC＝5:2:3 Y为N，R为Cl,含量为8％
对比例1和实施例1～9的150圈容量保持率测试：
分别对对比例1与实施例1～9的电池进行试验，其150圈的容量保持率和第150圈的放电比容量见表2；10个电池分别在测完倍率的基础上再在100mA g-1的电流密度下循环150圈。
表2：对比例1与实施例1～9的150圈的容量保持率和第150圈的放电比容量。
Figure BDA0003763478580000051
Figure BDA0003763478580000061

Claims (4)

1.一种钠离子电池电解液，其特征在于：由以下质量百分比组分组成：有机溶剂70~89%，钠盐10~20%，式2结构功能添加剂1~10%；
式2
其中，
R为氟或氯；
Y为氮或磷。
2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于：
所述有机溶剂包括环状碳酸酯和/或链状碳酸酯；
所述环状碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中至少一种；
所述链状碳酸酯包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于：所述钠盐包括六氟磷酸钠、高氯酸钠、四氟硼酸钠中至少一种。
4.一种高倍率和循环稳定的钠离子电池，其特征在于：包含权利要求1~3任一项所述的钠离子电池电解液，且负极为硬碳材料。
CN202210884428.1A 2022-07-25 2022-07-25 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池 Active CN115347235B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210884428.1A CN115347235B (zh) 2022-07-25 2022-07-25 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210884428.1A CN115347235B (zh) 2022-07-25 2022-07-25 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115347235A CN115347235A (zh) 2022-11-15
CN115347235B true CN115347235B (zh) 2023-04-28

Family

ID=83949801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210884428.1A Active CN115347235B (zh) 2022-07-25 2022-07-25 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115347235B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116505079A (zh) * 2023-06-13 2023-07-28 福州大学 一种用于金属锂二次电池的电解液及其制备方法和金属锂二次电池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021037721A1 (fr) * 2019-08-29 2021-03-04 Saft Composition d'électrolyte fluoré pour élément électrochimique de type lithium-ion
CN113381075A (zh) * 2021-06-09 2021-09-10 中南大学 一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液及其制备和使用方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008166271A (ja) * 2006-12-06 2008-07-17 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液および非水系電解液二次電池
CN105789687A (zh) * 2016-03-25 2016-07-20 华南师范大学 一种抑制过渡金属离子破坏锂离子电池负极界面膜的电解液及其应用
WO2020088436A1 (zh) * 2018-10-29 2020-05-07 上海紫剑化工科技有限公司 电解液、其添加剂、二次电池及其应用
CN110518287B (zh) * 2019-07-03 2022-02-11 上海紫剑化工科技有限公司 钠离子电解液、二次电池及制备方法和应用
CN111276743A (zh) * 2020-01-20 2020-06-12 杉杉新材料（衢州）有限公司 一种高电压锂离子电池非水电解液及其锂离子电池
CN113555606A (zh) * 2021-06-10 2021-10-26 徐州浩华能源科技有限公司 一种具有阻燃功能的低温钠离子电池电解液
CN113437363B (zh) * 2021-06-17 2022-07-12 珠海市赛纬电子材料股份有限公司 非水电解液及其二次电池
CN114024036A (zh) * 2021-11-05 2022-02-08 中南大学 一种低浓度锂离子电池电解液及其制备的锂离子电池
CN114552006A (zh) * 2022-02-18 2022-05-27 香河昆仑新能源材料股份有限公司 一种电解液添加剂组合物和应用
CN114566713B (zh) * 2022-03-08 2023-09-29 中国矿业大学 一种电解液及其制备方法和电解液制备钠离子电池的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021037721A1 (fr) * 2019-08-29 2021-03-04 Saft Composition d'électrolyte fluoré pour élément électrochimique de type lithium-ion
CN114303269A (zh) * 2019-08-29 2022-04-08 帅福得电池有限公司 用于锂离子电化学电池的氟化电解质组合物
CN113381075A (zh) * 2021-06-09 2021-09-10 中南大学 一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液及其制备和使用方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115347235A (zh) 2022-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111628218B (zh) 一种锂离子电池及其制备方法
CN108511800B (zh) 一种超低温锂离子电池电解液及使用该电解液的锂离子电池
CN111653829A (zh) 锂离子电池电解液及锂离子电池
CN114156543B (zh) 一种钠离子电池电解液、钠离子电池及制备方法
CN104332653B (zh) 一种非水电解液及使用该电解液的锂离子电池
CN109728340B (zh) 锂离子电池
CN107732304A (zh) 一种有机硅电解液和硅基电极材料配合使用的方法
CN110994030B (zh) 一种锂电池电解液及锂离子电池
CN105655640A (zh) 一种非水电解液以及含有该电解液的锂离子电池
CN112310473A (zh) 一种兼顾高低温型锂离子电池电解液及锂离子电池
CN105845980A (zh) 一种电解液及含有该电解液的锂离子电池
CN102130363A (zh) 一种高倍率聚合物锂离子动力电池及其制备方法
CN116130766A (zh) 一种电解液和钠离子电池
CN105762410A (zh) 一种非水电解液及使用该非水电解液的锂离子电池
CN105489936A (zh) 一种非水电解液以及含有该电解液的锂离子电池
CN115347235B (zh) 一种钠离子电池电解液及高倍率和循环稳定的钠离子电池
CN110797544A (zh) 一种高性能锂一次电池及其制备方法
CN113809401A (zh) 锂离子电池非水电解液及其应用
Qin et al. Ionic liquid-based electrolyte with dual-functional LiDFOB additive toward high-performance LiMn 2 O 4 batteries
CN110034332B (zh) 一种低阻抗、循环寿命长的锂离子电池电解液及其制备方法
CN111106386A (zh) 一种电解液和锂离子电池
CN109802176A (zh) 电解液和含有电解液的锂离子电池
CN105098235A (zh) 锂离子二次电池及其电解液
CN104218257A (zh) 一种锂离子二次电池电解液及其锂离子二次电池
CN114976247A (zh) 一种电解液和含有该电解液的电池

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant