CN117105961A - 一种高温型钠离子电池及其车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温型钠离子电池及其车辆,涉及钠离子电池技术领域。该钠离子电池包括高稳定性正极材料、高稳定性负极材料、耐高温电解液和电池隔膜;其中耐高温电解液,包括用作电解质钠盐的NaBOB衍生物;上述NaBOB衍生物的制备方法,包括:取硼酸、氢氧化钠通过固相烧结法掺杂有机酸获得NaBOB衍生物;其中,有机酸包括4‑(2‑羧乙基)‑4‑硝基庚二酸。本发明提供的钠离子电池具有优异的电化学性能,其常温循环使用性能得到明显提升,且耐高温使用性能也得到明显改善,容量保持率明显增加。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池材料技术领域,具体涉及一种高温型钠离子电池及其车辆。
背景技术
钠离子电池具有原材料丰富、低温性能优异、安全性高等优势近年来受到广泛关注。硬碳是目前认为最有前景的钠离子电池负极材料之一。但是,硬碳由于表面丰富的孔洞结构,表面活性较强,负极表面的电解质界面膜稳定性较低,导致钠离子电池在高温环境下存在产气、析钠等安全性风险;循环稳定性降低等使用缺陷。现有技术对提升钠离子电池高温性能方面难有较大的突破。目前针对电池的高温问题,一般采取以下几种解决方式:(1)减少电解液的量,电解液量过多会造成循环过程中不稳定界面膜的溶解;(2)提高钠盐浓度,较高的钠盐浓度能降低界面膜的溶解;(3)采用高温添加剂,添加剂能提升界面膜在高温下的稳定性。然而上述改性手段存在一定的缺陷,比如降低电解液量容易导致电池内阻增加,循环寿命降低;提升钠盐浓度会使电解液粘度增加,浸润性差,成本也会增加;高温添加剂开发难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温型钠离子电池及其车辆,该钠离子电池具有优异的电化学性能,其常温循环使用性能得到明显提升,且耐高温使用性能也得到明显改善,容量保持率明显增加。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为:
一种用作电解质钠盐的NaBOB衍生物的制备方法,包括:取硼酸、氢氧化钠通过固相烧结法掺杂有机酸获得NaBOB衍生物;
其中,有机酸包括4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸。本发明采用4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸掺杂改性NaBOB获得NaBOB衍生物,具有更加优异的导电性能,其电导率得到明显提升;作为钠盐应用电解液中制备钠离子电池,能够有效改善电池的电化学性能,其循环稳定性得到增强,且耐高温使用性能得到明显提升。其原因可能在于,采用4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸掺杂后能够更有效地改善钠盐结构,可能增强其溶解性和稳定性,进一步优化电解质结构,进而有效改善电池常温和高温使用性能。
进一步具体的,上述NaBOB衍生物的制备方法,包括:
取4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸、硼酸以及氢氧化钠混合,采用手工干法研磨的方法进行研磨,然后置于坩埚内,转移至烘箱中110~120℃保温5~7h,之后继续加热至240~250℃保温5~7h,之后冷却至室温,无水乙醇洗涤,50~60℃真空干燥4~6h得到NaBOB衍生物。
具体的,4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸、硼酸以及氢氧化钠的摩尔比为1.8~2.2:1:1。
一种耐高温电解液,包括上述方法制备获得的用作电解质钠盐的NaBOB衍生物。
具体的,高温电解液包括有机混合溶剂和高温添加剂。
具体的,耐高温电解液中电解质钠盐的浓度为0.8~1.2mol/L;高温添加剂的的浓度为1.5~3wt%。
具体的,电解质钠盐还可选自NaBOB、NaBF4、NaSbF6、NaPF6、NaPOF4和NaCF3CO2中的至少一种。
具体的,有机混合溶剂包括碳酸酯溶剂和醚类溶剂,两者质量比为1.5~2.5:1;其中,碳酸酯溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和氟代碳酸乙烯酯中的至少两种;醚类溶剂包括四氢呋喃、二甘醇二甲醚、二乙二醇二甲醚和乙基九氟丁醚中的至少一种。
具体优选地,高温添加剂包括4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉。本发明同时在电解液中加入高温添加剂4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉,能够进一步改善电池的常温和高温电化学性能;并且在NaBOB衍生物存在的情况下,两者能够起到协同增强效果,显著提升钠离子电池的常温和高温使用性能,容量保持率得到明显提升。其原因可能在于,能够更好地在正负极材料表面形成稳定的SEI和CEI膜,防止在高温情况下正极材料金属的溶出,负极材料表面膜的破坏,提升钠离子电池的高温稳定性。
一种高温型钠离子电池,包括上述耐高温电解液。
具体的,电池还包括高稳定性正极材料、高稳定性负极材料、耐高温电解液和电池隔膜。
具体的,电池隔膜包括聚酰亚胺气凝胶。
进一步的,上述电池隔膜的制备方法,包括:
取4,4'-二氨基二苯醚加入NMP溶解,加入3,3,4,4-联苯四羧酸二酐,待溶液变为透明状后加入交联剂BTMSPA,剧烈搅拌20~40min后,加入脱水剂乙酸酐、催化剂吡啶,超声去除气泡,得到聚合物溶液;之后在自动涂膜机上进行涂膜,8~12min后得到聚合物湿凝胶膜,放置0.5~1.5d后浸入NMP和丙酮的混合溶剂中,浸泡24~30h,每12h换一次溶剂;接着再浸入丙酮溶液中,浸泡24~30h,并每12h换一次溶剂;然后置于超临界干燥装置内,并用铁丝板等将膜展平固定,将二氧化碳调至超临界状态,并在50~60℃、10~12MPa条件下干燥2~3d,取出获得电池隔膜。
具体的,4,4'-二氨基二苯醚与NMP的固液比为0.04~0.06g:1mL;3,3,4,4-联苯四羧酸二酐与4,4'-二氨基二苯醚的摩尔比为1.1~1.5:1;交联剂BTMSPA与4,4'-二氨基二苯醚的摩尔比为0.07~0.08:1;脱水剂乙酸酐与4,4'-二氨基二苯醚的用量比为0.6~0.8mL:1mmol;催化剂吡啶与4,4'-二氨基二苯醚的用量比为0.6~0.7mL:1mmol。
更优选地,电池隔膜制备过程中采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸替代4,4'-二氨基二苯醚。本发明采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸作为功能单体与其它组分复配聚合制备得到电池隔膜,能够有效改善电池隔膜的孔隙结构,孔隙率得到明显增加,并且吸液能力得到增强,吸液率进一步提升;同时制备的电池隔膜表现出更高的耐高温能力。将其应用于钠离子电池的制备过程中,能够有效增强电池的高温使用能力,并且对电池的常温循环稳定性也产生有益的影响,其2000次循环的容量保持率明显提升。
本发明又公开了上述制备方法获得的NaBOB衍生物在制备电解液或电池中的用途。
本发明还公开了上述耐高温电解液在制备用于储能的电池中的用途
一种车辆,包括上述电池。
相比于现有技术,本发明具有如下有益效果:
本发明采用4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸掺杂改性NaBOB获得NaBOB衍生物,具有更加优异的导电性能,其电导率得到明显提升;作为钠盐应用电解液中制备钠离子电池,能够有效改善电池的电化学性能,其循环稳定性得到增强,且耐高温使用性能得到明显提升。同时在电解液中加入高温添加剂4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉,能够进一步改善电池的常温和高温电化学性能;并且在NaBOB衍生物存在的情况下,两者能够起到协同增强效果。本发明采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸作为功能单体与其它组分复配聚合制备得到电池隔膜,能够有效改善电池隔膜的孔隙结构,吸液性能得到进一步提升;同时制备的电池隔膜表现出更高的耐高温能力。将其应用于钠离子电池的制备过程中,能够有效增强电池的常温和高温使用性能;进一步拓宽钠离子电池应用领域范围,提升钠离子电池的实用性。
因此,本发明提供了一种高温型钠离子电池及其车辆,该钠离子电池具有优异的电化学性能,其常温循环使用性能得到明显提升,且耐高温使用性能也得到明显改善,容量保持率明显增加。
附图说明
图1为本发明实施例中1中制备的NaBOB衍生物及其NaBOB的红外测试结果;
图2为本发明实施例中制备的电池隔膜的红外测试结果;
图3为本发明实施例中制备的电池隔膜的TG曲线测试结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合实施例对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而,本领域的普通技术人员可以理解,在本发明各实施方式中,为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是,即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改,也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
实施例1:
一种高温型钠离子电池,包括高稳定性正极材料、高稳定性负极材料、耐高温电解液和电池隔膜。
一种耐高温电解液,包括:电解质钠盐、有机混合溶剂、高温添加剂;其中电解质钠盐为NaBOB衍生物,浓度为1.1mol/L;高温添加剂的的浓度为2.2wt%;有机混合溶剂包括碳酸酯溶剂(碳酸乙烯酯)和醚类溶剂(四氢呋喃),两者质量比为2.2:1;高温添加剂为4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉。
NaBOB衍生物的制备:
取4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸、硼酸以及氢氧化钠(摩尔比为2.1:1:1)混合,采用手工干法研磨的方法进行研磨,然后置于坩埚内,转移至烘箱中110℃保温6h,之后继续加热至240℃保温6h,之后冷却至室温,无水乙醇洗涤多次,60℃真空干燥4h得到NaBOB衍生物。
电池隔膜的制备:
取4,4'-二氨基二苯醚加入NMP(固液比为0.05g:1mL)溶解,加入3,3,4,4-联苯四羧酸二酐(与4,4'-二氨基二苯醚的摩尔比为1.3:1),待溶液变为透明状后加入交联剂BTMSPA(与4,4'-二氨基二苯醚的摩尔比为0.075:1),剧烈搅拌30min后,加入脱水剂乙酸酐(与4,4'-二氨基二苯醚的用量比为0.7mL:1mmol)、催化剂吡啶(与4,4'-二氨基二苯醚的用量比为0.66mL:1mmol),超声去除气泡,得到聚合物溶液;之后在自动涂膜机上进行涂膜,10min后得到聚合物湿凝胶膜,放置1d后浸入NMP和丙酮的混合溶剂中,浸泡24h,每12h换一次溶剂;接着再浸入丙酮溶液中,浸泡24h,并每12h换一次溶剂;然后置于超临界干燥装置内,并用铁丝板等将膜展平固定,将二氧化碳调至超临界状态,并在56℃、11.5MPa条件下干燥3d,取出获得电池隔膜。
一种高温型钠离子电池的制备:
将正极活性材料氟代磷酸钒钠、聚偏氟乙烯、乙炔黑以85:7:8的质量比混合均匀,涂布在铝箔上制成正极极片,正极的活性物质载量为20mg·cm-2;将负极活性材料硬碳、羧甲基纤维素、乙炔黑以90:5:5的质量比混合均匀,涂布在铜箔上制成负极极片,负极活性物质的载量为36mg·cm-2;金属钠为对电极以及上述制备的电池隔膜,上述制备的电解液,在氩气手套箱中制备CR2032纽扣钠离子电池。
实施例2:
一种高温型钠离子电池与实施例1的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液中电解质钠盐NaBOB衍生物的浓度为0.85mol/L浓度;高温添加剂4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉的浓度为1.7wt%。有机混合溶剂包括碳酸酯溶剂和醚类溶剂,两者质量比为1.6:1;其中,碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯;醚类溶剂为甘醇二甲醚。
NaBOB衍生物的制备与实施例1的区别在于:4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸、硼酸以及氢氧化钠的摩尔比为1.9:1:1。
电池隔膜的制备与实施例1相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例3:
一种高温型钠离子电池与实施例1的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液中电解质钠盐NaBOB衍生物的浓度为1.2mol/L浓度;高温添加剂4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉的浓度为1.5wt%。有机混合溶剂包括碳酸酯溶剂和醚类溶剂,两者质量比为2:1;其中,碳酸酯溶剂为碳酸二乙酯;醚类溶剂为二乙二醇二甲醚。
NaBOB衍生物的制备与实施例1的区别在于:4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸、硼酸以及氢氧化钠的摩尔比为1.8:1:1。
电池隔膜的制备与实施例1相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例4:
一种高温型钠离子电池与实施例1的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液与实施例1的区别在于:电解质钠盐包括NaPF6。
电池隔膜的制备与实施例1相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例5:
一种高温型钠离子电池与实施例1的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液与实施例1的区别在于:高温添加剂为等摩尔量的3-三甲基甲硅烷基-2-噁唑烷酮。
电池隔膜的制备与实施例1相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例6:
一种高温型钠离子电池与实施例4的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液与实施例4的区别在于:高温添加剂为等摩尔量的3-三甲基甲硅烷基-2-噁唑烷酮。
电池隔膜的制备与实施例1相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例7:
一种高温型钠离子电池与实施例1的区别在于:电池隔膜为本实施例制备的。
电池隔膜制备与实施例1的区别在于:
采用等摩尔量的4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸替代4,4'-二氨基二苯醚。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
实施例8:
一种高温型钠离子电池与实施例6的区别在于:电池隔膜为本实施例制备的。
电池隔膜的制备与实施例7相同。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
对比例1:
一种高温型钠离子电池与实施例5的区别在于:耐高温电解液为本实施例制备的。
一种耐高温电解液与实施例5的区别在于:NaBOB衍生物为本对比例制备的。
NaBOB衍生物的制备与实施例5的区别在于:采用等摩尔量乙二酸替代4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸。
一种高温型钠离子电池的制备与实施例1相同。
试验例1:
红外表征
测试采用傅里叶红外光谱仪进行,测试范围500~4000cm-1。
对NaBOB以及实施例1制备的NaBOB衍生物进行上述测试,结果如图1所示。从图中分析可知,相比于NaBOB的红外测试结果,实施例1制备的NaBOB衍生物的红外光谱中,1766cm-1附近的羰基的红外特征吸收峰以及1640cm-1附近的-COO-的红外特征吸收峰明显增强,以上结果表明实施例1中NaBOB衍生物成功制备。
对实施例1和实施例7制备的电池隔膜进行上述红外测试,结果如图2所示。从图中分析可知,相比于实施例1制备的电池隔膜的红外测试结果,实施例7制备的电池隔膜的红外图谱中,1190 cm-1、630cm-1、525cm-1附近出现磺酸基团的红外特征吸收峰,以上结果表明实施例7中电池隔膜成功制备。
试验例2:
电导率测定
测试采用DDJS-307电导率仪进行。样品制备:取测试样品溶于碳酸丙烯酯中,浓度为0.025mol/L,在超声波清洗器中超声使其充分溶解。
对NaBOB及其实施例1~3、对比例1制备的NaBOB衍生物进行上述测试,结果如表1所示:
表1 电导率测试结果
样品 | 电导率(σ mS/cm) |
实施例1 | 0.184 |
实施例2 | 0.173 |
实施例3 | 0.181 |
对比例1 | 0.093 |
NaBOB | 0.072 |
从表1中的数据分析可知,本发明实施例1制备的NaBOB衍生物在碳酸丙烯酯中的离子电导率明显好于对比例1和NaBOB的,表明采用4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸掺杂改性NaBOB制备NaBOB衍生物,能够有效改善NaBOB衍生物的结构,进而增强其导电性能。
试验例3:
孔隙率与吸液率测定
取隔膜样品浸泡至正丁醇或电解液(1M NaPF6/EC-DEC(v/v,1:1))中,2h后取出,孔隙率按照下列公式计算:
孔隙率/%=(M1-M0)/(ρbVd)×100%
式中,M0和M1分别为隔膜样品浸泡前后的质量,ρb为正丁醇的密度,Vd为隔膜样品的体积。
吸液率按照下列公式计算:
吸液率/%=(m1-m0)/m0×100%
式中,m0和m1分别为隔膜样品浸泡电解液2h前后的质量。
对实施例1和实施例7制备的电池隔膜进行上述测试,结果如表2所示:
表2 孔隙率和吸液率测试结果
样品 | 孔隙率(%) | 吸液率(%) |
实施例1 | 81.3% | 428.17 |
实施例7 | 78.6% | 323.45 |
从表2中的数据分析可知,本发明实施例7制备的电池隔膜的孔隙率和吸液率明显高于实施例1的,表明采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸作为聚合单体与其它原料复配制备电池隔膜,能够有效改善隔膜的孔隙和网络结构,进而提升其孔隙率和吸液性能。
热稳定性测试
测试采用热重-差示扫描量热仪进行。将失重5%时的温度作为材料的热分解温度。
对实施例1和实施例7制备的电池隔膜进行上述测试,结果如图3所示。从图中分析可知,实施例7制备的电池隔膜的热分解温度要高于实施例1的,表明采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸作为聚合单体与其它原料复配制备电池隔膜,能够进一步改善电池隔膜的耐高温性能。
试验例4:
电池性能表征
测试方法均为本领域技术人员能够理解的常规方法。
对对比例1、对实施例1~8中制备的钠离子电池进行循环寿命、倍率性能以及高温运行性能测试,结果如表3所示:
表3 电池性能测试结果
样品 | 循环寿命(室温循环2000次,容量保持率,0.2C倍率) | 55℃循环600次容量保持率(%) |
实施例1 | 90.3 | 92.5 |
实施例2 | 91.0 | 92.7 |
实施例3 | 90.5 | 92.3 |
实施例4 | 85.1 | 87.0 |
实施例5 | 87.2 | 89.8 |
实施例6 | 83.7 | 85.7 |
实施例7 | 92.8 | 94.1 |
实施例8 | 85.6 | 87.3 |
对比例1 | 86.3 | 88.4 |
从表3中的数据分析可知,实施例1制备的钠离子电池的循环寿命和高温容量保持率明显高于实施例4、实施例5以及实施例6的,且实施例4和实施例5的效果好于实施例6的,实施例5的效果要好于对比例1的,表明采用4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸掺杂改性NaBOB制备NaBOB衍生物,作为钠盐加入电解液中,再用于电池的制备,能够有效改善电池的循环使用稳定性和高温使用性能;同时在电解液中加入4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉,也能够有效提升电池的循环使用稳定性和高温使用性能,并且在NaBOB衍生物和4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉同时存在的条件下,能够起到协同增强的效果,电池性能的改善效果更佳。实施例7的效果明显好于实施例1的,实施例8的效果明显好于实施例6的,表明采用4,4'-二肼二苯乙烯-2,2'-二磺酸作为聚合单体与其它原料复配制备电池隔膜,应用于钠离子电池的制备工艺中,能够进一步改善电池的电化学性能,其循环使用性能以及高温使用性能得到明显提升。
上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术,故在此不再详细赘述。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用作电解质钠盐的NaBOB衍生物的制备方法,包括:取硼酸、氢氧化钠通过固相烧结法掺杂有机酸获得NaBOB衍生物;
其中,有机酸包括4-(2-羧乙基)-4-硝基庚二酸。
2.根据权利要求1所述的用作电解质钠盐的NaBOB衍生物的制备方法,其特征在于:所述有机酸、硼酸以及氢氧化钠的摩尔比为1.8~2.2:1:1。
3.一种耐高温电解液,包括权利要求1所述方法制备获得的用作电解质钠盐的NaBOB衍生物。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温电解液,其特征在于:所述高温电解液包括有机混合溶剂和高温添加剂;所述高温添加剂包括4-((三甲基甲硅烷基)乙炔基)吗啉。
5.根据权利要求3所述的一种耐高温电解液,其特征在于:所述耐高温电解液中电解质钠盐的浓度为0.8~1.2mol/L;高温添加剂的的浓度为1.5~3wt%。
6.一种高温型钠离子电池,包括权利要求3所述的耐高温电解液。
7.根据权利要求6所述的电池,其特征在于:所述电池还包括正极材料、负极材料和电池隔膜。
8.权利要求1所述制备方法获得的NaBOB衍生物在制备电解液或电池中的用途。
9.权利要求3所述的耐高温电解液在制备用于储能的电池中的用途。
10.一种车辆,包括权利要求6所述的电池。
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