CN116666763B - 一种基于酮基低共熔溶剂的电解液、制备方法以及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于酮基低共熔溶剂的电解液的制备方法，具体包括如下步骤：步骤一、将锂盐和酮类化合物按照预定的摩尔比在60℃下搅拌至澄清透明液体；步骤二、向得到的澄清透明液体中加入一定量的添加剂，得到所述电解液；步骤一和步骤二均在充满氩气的手套箱中进行，气体中的水含量和氧含量均在0.2ppm以下。
Description
技术领域
本发明涉及锂电子电池的电解液，尤其涉及一种基于酮基低共熔溶剂的电解液、制备方法以及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池的能量密度和安全性能一直是科技界关注的热点问题。传统的有机电解液由于具有易挥发、低闪点等特点，容易发生燃烧和爆炸等安全问题。为了提高电池的安全性能，目前通常在常规电解液中加入阻燃添加剂。然而，这种方法虽然可以起到一定的阻燃效果，但是也会影响电池的电化学性能，尤其是循环寿命和倍率性能。因此，开发不可燃电解液是解决锂离子电池高能量密度和高安全性之间矛盾的有效途径。
低共熔溶剂具有高热稳定性、低蒸气压、不易燃性和良好的盐溶解性等优点。尤其是低共熔溶剂的不易燃性可以有效解决目前商用碳酸酯类电解液的易燃问题，具有良好的安全性。同时，低共熔溶剂具有低成本、易于制造、无毒性、生物可降解性等特点，是电池电解质的理想选择。
因此，发展不可燃电解液，尤其是基于低共熔溶剂的电解液，是锂离子电池实现高能量密度和高安全性的重要途径，也是下一代高安全性和高能量密度锂金属电池的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于酮基低共熔溶剂的电解液、制备方法以及锂离子电池，该电解液由于采用了酮基低共熔溶剂，具有高安全性、不可燃、热稳定性强。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于酮基低共熔溶剂的电解液的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、将锂盐和酮类化合物按照预定的摩尔比在60℃下搅拌至澄清透明液体；
步骤二、向得到的澄清透明液体中加入一定量的添加剂，得到所述电解液；
步骤一和步骤二均在充满氩气的手套箱中进行，气体中的水含量和氧含量均在0.2ppm以下。
优选地，所述锂盐采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、六氟磷酸锂和四氟硼酸锂中的一种或几种。
优选地，所述酮类化合物采用苯基甲基甲酮、苯基乙基酮、苯甲酮、环己基苯基酮、正丁苯酮、邻甲基苯乙酮、2-氟二苯甲酮、2,2’-二羟基苯酮、1-[2-(4，4-二甲基哌啶-1-基)苯基]乙酮的一种或几种。
优选地，添加剂为环状碳酸酯类、硝酸锂、二氟磷酸锂和二氟草酸硼酸锂中的一种或几种。
优选地，所述环状碳酸酯类包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和碳酸亚乙烯酯。
优选地，所述锂盐与酮类化合物的摩尔比为1:1-1:10，和/或，添加剂的质量占总电解液的质量分数的0.1％-10％。
本发明还提供了一种基于酮基低共熔溶剂的电解液，采用上述制备方法。
本发明还提供了一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜以及电解液，所述电解液采用上述制备方法制备。
优选地，所述正极采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰三元材料和镍钴铝三元材料中的一种或多种。
优选地，所述负极采用金属锂、石墨、硅负极、硅碳负极、氧化亚硅和钛酸锂中的一种或多种。
优选地，所述隔膜采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PP/PE/PP三层复合膜、玻璃纤维中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)与传统的碳酸酯类溶剂电解液相比，该电解液由于采用了酮基低共熔溶剂，具有高安全性、不可燃、热稳定性强(热分解温度高达170℃)；该电解液的合成方法简单方便，原料易得，造价低廉，便于大规模应用；
(2)本发明的电解液是基于酮基和锂盐的相互作用力形成的低共熔溶剂的电解液，相对于碳酸酯类的传统电解液，酮基的存在扩宽了电化学窗口，可以达到5V，明显超过传统碳酸酯类溶剂电解液(2V-4V)；
(3)该电解液体系下，由于添加了成膜添加剂，在阳极和阴极材料表面可形成稳定的界面SEI膜和CEI膜，保证了在长循环充放电过程中界面膜的稳定性，有效提高了循环寿命。
附图说明
图1为实施例1线性扫描伏安图；
图2为实施例1和传统电解液的热重图；
图3为实施例1的长循环性能图；
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例一
将二氟草酸硼酸锂与苯甲酮以1:5摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加10％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、磷酸铁锂为正极、隔膜为玻璃纤维隔膜的锂离子电池中，并进行室温全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.2％，室温循环寿命可以达到1000圈。
实施例二
将六氟磷酸锂与苯甲酮以1:4摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加5％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、磷酸铁锂为正极、隔膜为玻璃纤维隔膜的锂离子电池中，并进行高温(50℃)全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.1％，循环寿命可以达到2000圈。
实施例三
将四氟硼酸锂与苯基乙基酮以1:6的摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加5％wt二氟磷酸锂和5％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、钴酸锂为正极、隔膜为聚丙烯隔膜的锂离子电池中，并进行室温全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.0％，室温循环寿命可以达到300圈。
实施例四
将二草酸硼酸锂与正丁苯酮以1:4摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加5％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、镍钴锰三元材料为正极、隔膜为玻璃纤维隔膜的锂离子电池中，并进行室温全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.3％，室温循环寿命可以达到300圈。
实施例五
将双三氟甲烷磺酰亚胺锂与邻甲基苯乙酮以1:5摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加10％wt二氟草酸硼酸锂，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、石墨为正极、隔膜为玻璃纤维隔膜的锂离子电池中，并进行室温全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.2％，室温循环寿命可以达到300圈。
实施例六
将二氟草酸硼酸锂与环己基苯基酮以1:8摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加10％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以金属锂为负极、石墨为正极、隔膜为玻璃纤维隔膜的锂离子电池中，并进行室温全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.2％，室温循环寿命可以达到300圈。
实施例七
将二草酸硼酸锂与邻甲基苯乙酮以1:3摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加5％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以硅为负极、磷酸铁锂为正极的锂离子电池中，并进行全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.0％，循环寿命可以达到300圈。
实施例八
将六氟磷酸锂与邻甲基苯乙酮以1:3摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加10％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以硅碳为负极，钴酸锂为正极的锂离子电池中，并进行全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.5％，循环寿命可以达到500圈。
实施例九
将二氟草酸硼酸锂与邻甲基苯乙酮以1:3摩尔比在60℃下，搅拌至澄清透明，再添加10％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以石墨为负极、磷酸铁锂为正极的锂离子电池中，并进行全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.1％，循环寿命可以达到600圈。
实施例十
将二氟草酸硼酸锂、双三氟磺酰亚胺锂与环己基苯基酮以0.6:0.4:4摩尔比,在60℃下，搅拌至澄清透明,再添加5％wt氟代碳酸乙烯酯，制备得到酮基低共熔溶剂电解液。将该电解液用于以石墨为负极，锰酸锂为正极的锂离子电池中并进行全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率达到99.0％，循环寿命可以达到500圈。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种基于酮基低共熔溶剂的电解液的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、将锂盐和酮类化合物按照预定的摩尔比在60℃下搅拌至澄清透明液体；
步骤二、向得到的澄清透明液体中加入一定量的成膜添加剂，得到所述电解液；
步骤一和步骤二均在充满氩气的手套箱中进行，气体中的水含量和氧含量均在0.2ppm以下；
所述酮类化合物采用苯基甲基甲酮、苯基乙基酮、苯甲酮、环己基苯基酮、正丁苯酮、邻甲基苯乙酮、2-氟二苯甲酮、2,2’-二羟基苯酮、1-[2-（4，4-二甲基哌啶-1-基）苯基]乙酮的一种或几种；
所述锂盐采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、六氟磷酸锂和四氟硼酸锂中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，添加剂为环状碳酸酯类、硝酸锂、二氟磷酸锂和二氟草酸硼酸锂中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述环状碳酸酯类包括碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和碳酸亚乙烯酯。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锂盐与酮类化合物的摩尔比为1:1-1:10，和/或，添加剂的质量占总电解液的质量分数的0.1%-10%。
5.一种基于酮基低共熔溶剂的电解液，采用权利要求1-4任一项所述的制备方法制备。
6.一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜以及电解液，所述电解液采用权利要求1-4任一项所述的制备方法制备。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述正极采用磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍锰酸锂、镍钴锰三元材料和镍钴铝三元材料中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述负极采用金属锂、石墨、硅负极、硅碳负极、氧化亚硅和钛酸锂中的一种或多种；和/或，所述隔膜采用聚乙烯、聚丙烯、PP/PE/PP三层复合膜、玻璃纤维中的一种。
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