【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鋰離子電池，尤其涉及一種安全型低溫鋰離子電池電解液及其制備和應用方法。
技術介紹
1、鋰離子電池是目前商業化程度高、應用廣的電化學儲能器件之一。然而鋰離子電池通常在0℃以下容量迅速降低，這嚴重限制了鋰離子電池在嚴寒地區的使用。電解液是影響鋰離子電池低溫性能的主要原因之一，因此合理調控電解液組成，構建低溫型電解液結構，有利于改善鋰離子電池的低溫性能。
2、從電解液理化性質的角度出發，低溫環境不可避免地會影響電解液的離子電導率和黏度等性質，低溫下緩慢的分子熱運動和增強的分子間相互作用導致鋰離子在主體電解液中的遷移嚴重受阻。電解液和電極間的界面是發生電荷轉移和電極反應的關鍵部位，低溫下緩慢的電荷轉移速率和嚴重受阻的反應動力學都限制了鋰離子在電極-電解液界面處的電荷轉移和電化學反應速率。目前，通過使用低凝固點、低極性的溶劑改善電解液的低溫性能是優化鋰離子電池低溫性能的主要手段，但多數難以兼容優異的低溫性能和良好的循環穩定性。因此，設計并構建一種安全穩定、且低溫性能優異的鋰離子電池電解液是目前急需解決的問題。
3、公開于該
技術介紹
部分的信息僅僅旨在加深對本專利技術總體
技術介紹
的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成本領域技術人員所公知的現有技術。
技術實現思路
1、本專利技術的第一個目的是提供一種安全型低溫鋰離子電池電解液，以此電解液構建的鋰離子電池在具有優異的倍率性能和循環穩定性，同時能在-60℃～100℃下安全工作。
2、本專
3、一種安全型低溫鋰離子電池電解液，包括鋰鹽、復合有機溶劑和添加劑；
4、鋰鹽中鋰離子在復合有機溶劑中的摩爾濃度為3～12mol/l；高濃度鋰鹽在復合有機溶劑中形成非常穩定的“溶劑化離子簇”。以保護復合有機溶劑不參與與金屬鋰的副反應，從而使得電解液表現出與高濃度體系相似的界面穩定性。優選的摩爾濃度為3～5mol/l，在保證寬電壓窗口的同時，能夠盡可能的減少鋰鹽的使用，降低成本。
5、復合有機溶劑包括低共熔溶劑和低凝固點溶劑，低共熔溶劑與低凝固點溶劑之間的體積比例為1:1，低共熔溶劑為碳酸乙烯酯(ec)和二甲基乙酰胺(dmac)混合制得；dmac作為氫鍵供體，ec作為氫鍵受體，兩者進行混合后，形成氫鍵，強氫鍵作用使得形成的混合液凝固點降低即為低共熔體系，同時有助于避免ec固體在低溫條件下的析出。混合之后ec溶解完全，不會因為其他溶劑的引入而影響其溶解狀態。低凝固點溶劑為1,3二氧戊環(diox)、二氯甲烷和四氟乙烷的混合溶劑；能夠降低電解液的整體凝固點，確保在低溫環境下依然具備良好的流動性。
6、作為優選的，1,3二氧戊環、二氯甲烷、四氟乙烷、二甲基乙酰胺的體積比為8～10：2～4：1～2：4～7。上述比例設計使得多功能互補，能夠兼顧低溫導電性與高溫穩定性，確保電解液在寬溫區間內保持良好性能。同時提高電導率，降低粘度，優化鋰鹽溶解度的同時，保持低溫下的流動性。
7、本專利技術設計的復合有機溶劑中，低凝固點溶劑具有優異的抗氧化性能，二甲基乙酰胺充作氫鍵給體溶劑的同時，并與低凝固點溶劑混合形成具有低黏度的電化學惰性的稀釋劑，充分保障了高濃度電解液具有的寬電壓窗口，還解決了高鹽濃度帶來的高粘度難題。可以在保證溶劑高穩定性使用的同時，降低電解液的凝固點，使得低溫下電解液仍能保持液態，鋰離子仍可實現快速遷移，保證鋰離子電池低溫下的穩定運行。本專利技術通過設計高濃度鋰鹽電解液，可以調節鋰離子的溶劑化構型，降低鋰離子溶劑化數量，減小去溶劑化能壘，保證鋰離子電池中快速的嵌鋰過程，提高鋰離子電池的倍率以及低溫性能。
8、與傳統的高濃度電解液不同，本專利技術加入大量“不活潑稀釋劑”。這些稀釋劑(例如四氟乙烷、二甲基乙酰胺)本身不會直接與鋰離子形成溶劑化物，主要起到降低整個體系的總粘度和熔點，同時也不會顯著影響高濃度鋰鹽形成的溶劑化離子簇的性質，可以讓電解液在低溫條件下仍能保持良好的流動性，從而提升鋰離子傳輸效率。
9、添加劑包括環狀磺酸酯和咪唑鎓基離子液體，添加劑預先溶解在二氯甲烷和二甲基乙酰胺的混合溶液中，其中二氯甲烷和二甲基乙酰胺的體積比為1:1，之后再逐步加入到電解液中。二氯甲烷是一種低極性、低粘度的溶劑，具有良好的溶解能力，可以有效地溶解環狀磺酸酯，使其在混合溶液中更容易分散；二甲基乙酰胺是一種極性較強的溶劑，可以有效地溶解咪唑鎓基離子液體，且具有較低的粘度，能幫助降低整體混合液的粘度，便于后續的混合和操作。本專利技術通過將環狀磺酸酯和咪唑鎓基離子液體預先溶解在二氯甲烷和二甲基乙酰胺的混合液中，可以確保這些添加劑在加入到主電解液之前已經充分混合且均勻。避免在電解液中因為添加劑不均勻分散而出現的問題。
10、作為優選的，環狀磺酸酯為甲烷二磺酸亞甲酯和1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯，咪唑鎓基離子液體為1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺。
11、環狀磺酸酯作為電池添加劑具有很好的高溫循環性能，可以降低電解質的極化度，從而提高電池的放電平臺。同時它還可以提高電解質的抗氧性能，保持電解質的穩定狀態，有效改善了因大量低溫溶劑使用導致的高溫性能差，穩定性差等問題。此外，磺酸酯在分解后可以形成導鋰離子性能好的含磺酸鹽類的sei層，與ec溶劑共同作用，形成的sei層薄且成分穩定，可有效降低電池的內阻，從而提高電池的循環性能，延長電池的使用壽命。1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺中含有的氟化基團和咪唑環結構在鋰金屬負極表面也可以形成致密的sei層，本專利技術通過設計三種混合添加劑，進一步緩解鋰枝晶的形成，實現電池循環穩定性和電解液不燃性之間的兼容。
12、同時，在復合有機溶劑中，ec和dmac形成的氫鍵網絡使得混合體系的熔點遠低于ec和dmac各自的熔點，1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺既可作為氫鍵供體，也可作為氫鍵受體，作為添加劑加入后不僅可以緩解枝晶生長問題，提高電池使用壽命，同時還能通過充當橋接氫鍵的角色，使得整個體系的氫鍵網絡變得更加致密和穩定，從而進一步增強ec與dmac的低共熔溶劑體系，降低電解液凝固點，改善鋰離子溶劑化結構。此外，由于1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺的保護作用，dmac能夠更好地均勻分布在負極表面，從而有效改善其界面相容性。
13、作為優選的，甲烷二磺酸亞甲酯、1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯、1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺的摩爾濃度均為0.05～0.2mol/l，體積比為1～3:1～3:2～4。三種添加劑協同工作，以最大限度地發揮其各自的功能，實現對電解液的多維度調控。1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙(三氟甲磺酰)亞胺具有非常低的揮發性和不燃性，體積比例較大，可以顯著提高電解液的整體安全性，減少燃燒和熱失控的風險。
14、作為優選的，鋰鹽為雙三氟甲基磺酰亞胺鋰(litfsi)和雙氟磺酰亞胺鋰鹽的混合鹽；雙三氟本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，包括鋰鹽、復合有機溶劑和添加劑；
2.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，二氯甲烷和二甲基乙酰胺的混合溶液中，二氯甲烷和二甲基乙酰胺的體積比為1:1。
3.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述鋰鹽為雙三氟甲基磺酰亞胺鋰和雙氟磺酰亞胺鋰鹽的混合鹽；所述雙三氟甲基磺酰亞胺鋰和雙氟磺酰亞胺鋰鹽的摩爾比為1~3:1。
4.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述環狀磺酸酯為甲烷二磺酸亞甲酯和1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯，所述咪唑鎓基離子液體為1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙（三氟甲磺酰）亞胺。
5.根據權利要求4所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述甲烷二磺酸亞甲酯、所述1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯、所述1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙（三氟甲磺酰）亞胺的摩爾濃度均為0.05~0.2?mol/L，體積比為1~3:1~3:2~4。
6.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液
7.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述電解液具有的電壓穩定窗口為0~4.85?V，可在-60?℃下保持0.35?Pa·s的粘度。
8.根據權利要求1~7任一項所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液的制備方法，其特征在于，包括如下操作步驟；
9.根據權利要求8所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液的制備方法，其特征在于，步驟S1中，將EC加熱至液體狀，并在50~80?℃溫度下按比例與二甲基乙酰胺混合攪拌30min。
10.將權利要求1~7任一項所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液應用于低溫鋰離子電池中，其特征在于：所述鋰離子電池由上述低溫電解液、磷酸鐵鋰正極、多孔石墨負極和隔膜組成；所述磷酸鐵鋰正極與所述多孔石墨負極分別設置于所述隔膜的兩側；所述鋰離子電池可在-60℃下工作。
...【技術特征摘要】
1.一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，包括鋰鹽、復合有機溶劑和添加劑；
2.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，二氯甲烷和二甲基乙酰胺的混合溶液中，二氯甲烷和二甲基乙酰胺的體積比為1:1。
3.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述鋰鹽為雙三氟甲基磺酰亞胺鋰和雙氟磺酰亞胺鋰鹽的混合鹽；所述雙三氟甲基磺酰亞胺鋰和雙氟磺酰亞胺鋰鹽的摩爾比為1~3:1。
4.根據權利要求1所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述環狀磺酸酯為甲烷二磺酸亞甲酯和1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯，所述咪唑鎓基離子液體為1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙（三氟甲磺酰）亞胺。
5.根據權利要求4所述的一種安全型低溫鋰離子電池電解液，其特征在于，所述甲烷二磺酸亞甲酯、所述1,1-環丙烷二甲醇亞磺酸酯、所述1-丁基-2,3-二甲基咪唑雙（三氟甲磺酰）亞胺的摩爾濃度均為0.05~0.2?mol/l，體積比為1~3:1~3:2~4。
...【專利技術屬性】
技術研發人員：丁建寧，李綠洲，王茜，張超，胡冰清，劉佳興，于智航，井濟民，魏俊峰，劉省委，熊元，
申請(專利權)人：揚州大學，
類型：發明
國別省市：
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