【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鋰離子電池，尤其涉及高溫型鋰離子電池電解液，特別涉及2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮及其在電解液中的應用。
技術介紹
1、鋰離子電池因具有諸多優勢，如高能量密度、長循環壽命等，在眾多領域得到了廣泛應用。然而，隨著應用場景的拓展，特別是在高溫環境下的應用需求，對鋰離子電池電解液提出了更高的要求。
2、在高溫環境中，鋰離子電池面臨著一系列問題。首先，常規的電解液有機溶劑和鋰鹽熱穩定性較差。有機溶劑容易揮發，這不僅會改變電解液的組成和性質，還可能導致電池內部壓力變化，引發安全隱患。同時，鋰鹽在高溫下可能發生分解，產生一些對電池性能有害的物質，如導致電池內阻增加，影響電池的充放電性能和循環壽命。此外，高溫還會加速電極材料與電解液之間的副反應。例如，正極材料中的過渡金屬元素可能會溶出，與電解液發生反應，進一步惡化電池性能，甚至可能導致電池熱失控，引發起火、爆炸等嚴重安全事故。
3、為了解決高溫環境下的電池性能問題，研究人員在電解液中添加了一些物質來提高電池的高溫穩定性。然而，這些添加劑往往存在一些難以克服的局限性。在提高電池高溫穩定性方面，一些添加劑通過在電極表面形成保護膜來防止電極材料與電解液的直接接觸，從而減少副反應的發生。但是，這些添加劑在起到保護作用的同時，卻帶來了其他問題。一方面，它們往往會降低離子電導率。這是因為添加劑可能會與鋰離子發生相互作用，或者改變電解液的溶劑化結構，使得鋰離子在電解液中的遷移變得困難。另一方面，這些添加劑還會導致較高的成膜阻抗。在電極表面形成的保護膜雖然能起到保護作用
4、綜上所述，現有的高溫型電解液中使用的提高電池高溫穩定性的添加劑，無法同時滿足既提高高溫穩定性，又保證離子電導率和成膜阻抗低的要求，這就促使科研人員不斷探索新的電解液體系和添加劑，以實現鋰離子電池在高溫環境下的高性能應用。
5、針對上述技術問題，現有技術是分別將高溫型添加劑加入到電解液中，起到了相應的作用，但同時也帶來了相應的性能風險，具體如下所述：(1)可能會與鋰鹽發生相互作用，改變鋰鹽的解離狀態，影響鋰離子的傳輸，進而對電池的倍率性能產生不利影響。(2)可能會與電解液中的有機溶劑發生反應，影響有機溶劑的性能，例如改變其對電極材料的浸潤性，從而影響電池的性能。(3)添加劑可能會隨著時間和溫度的變化，自身發生分解或者與電解液中的其他成分發生反應。分解產生的小分子物質可能會影響電解液的離子電導率，使電池內阻增加，導致充放電過程中的能量損失增大。(4)可能會與電極材料發生反應，改變電極材料的表面化學狀態，影響鋰離子的嵌入和脫出效率，進而逐漸降低電池的充放電容量。(5)如果添加量不準確，可能會導致電解液粘度發生較大變化。過高的粘度會降低鋰離子在電解液中的擴散速度，影響電池的快充性能，同時也可能使電池在低溫環境下的性能惡化，因為高粘度的電解液在低溫時離子遷移更加困難。(6)如果某些添加劑含量過高，可能會導致sei膜成膜過厚。過厚的sei膜會增加電池阻抗，導致電池在高溫下散熱困難，影響電池的高溫性能和高溫穩定性。同時，過厚的sei膜可能會改變其自身在高溫下的物理化學性質，降低對電解液分解的抑制能力，不利于電解液的高溫穩定性。過厚的sei膜還會阻礙鋰離子的傳輸，降低離子傳輸速率，從而影響電池的充放電性能和離子傳輸性能。(7)一些添加劑可能會在電極表面形成一層不均勻的膜，阻礙鋰離子的在電極表面的傳輸，影響電池的充放電容量和循環壽命。
6、本專利技術旨在解決高溫型鋰離子電池電解液面臨的技術問題，主要涉及以下幾個方面：(1)熱穩定性提升：設計熱穩定性更高的有機溶劑是關鍵。傳統的有機溶劑在高溫下易揮發和分解，導致電池性能下降和安全隱患。需要研發或篩選出能夠在高溫環境下保持穩定的有機溶劑，例如一些具有特殊結構的環狀有機溶劑，它們的化學鍵能和分子結構使其能夠承受更高的溫度而不發生分解或揮發。設計具有高溫穩定功能的添加劑。這些添加劑應能夠在電極表面形成穩定的保護膜，防止電極材料與電解液在高溫下發生副反應。同時，添加劑自身在高溫下應具有良好的化學穩定性，不會發生分解或與其他成分發生不良化學反應。例如，一些含酰胺基、含磺酰基的化合物可以作為高溫添加劑，它們能夠通過化學鍵合等方式提高電極表面膜的穩定性。(2)離子電導率保障：添加劑和溶劑的選擇應考慮對電解液微觀結構的影響。避免因添加劑的加入導致鋰離子傳導通道受阻，需要研究如何通過調整添加劑的分子結構和濃度，以及選擇合適的溶劑組合，來維持電解液良好的微觀結構，確保鋰離子能夠在其中快速移動，保持較高的離子電導率。確保鋰鹽在電解液中的解離狀態良好。一些添加劑可能會與鋰鹽發生相互作用，影響鋰鹽的解離，從而降低離子電導率。因此，需要研究如何避免這種不良影響，或者通過添加特定的物質來促進鋰鹽的解離，使鋰離子能夠順利地從鋰鹽中釋放出來，參與電池的充放電過程。(3)膜阻抗控制：對于在電極表面形成的保護膜，需要優化其性能。一方面，要確保膜的形成能夠有效防止電極材料與電解液的直接接觸，減少副反應；另一方面，要控制膜的致密性，避免膜過于致密導致鋰離子傳輸困難，增加膜阻抗。可以通過調整添加劑的種類和用量，以及研究膜的形成機制，來實現保護膜性能的優化。(4)電池性能綜合平衡：在提高高溫性能的同時，要考慮對電池低溫性能的影響。一些為提高高溫性能而采取的措施可能會對低溫性能產生不利影響，如某些添加劑可能會增加電解液的粘度，導致低溫下離子遷移困難。因此，需要研究如何在提高高溫性能的同時，保持或改善電池的低溫性能，例如通過選擇合適的添加劑組合，或者調整添加劑的用量，實現高溫和低溫性能的平衡；確保電池的循環壽命和安全性能；高溫環境下電池的循環壽命可能會受到影響，如電極材料與電解液的副反應加劇、膜阻抗增加等。同時，安全性能也是至關重要的，需要防止電池在高溫下發生熱失控等危險情況。通過優化電解液的組成，包括鋰鹽、溶劑和添加劑的選擇和搭配，以及對電池結構和制造工藝的改進，來保障電池的循環壽命和安全性能。
技術實現思路
1、本專利技術針對現有技術存在的不足之處，提供一種鋰離子電池電解液添加劑及其應用。
2、本專利技術提供一種鋰離子電池電解液添加劑，所述添加劑為式ⅰ所示的2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮。
3、
4、所述鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，包括如下步驟：將環丁醇溶解，加入重鉻酸鉀的酸性溶液，攪拌反應完全后分離提純，得到環丁酮；將硫氫化鈉溶解制備成硫醇鈉溶液；將環丁酮溶解制備成溶液；惰性氣體氛圍下，將硫醇鈉加入到環丁酮溶液加熱并攪拌反應，使環丁酮中的3號碳與硫醇鈉發生親核取代反應，硫原子取代3號碳位置；冷卻過濾提純后得到3-硫代環丁酮；將3-硫代環丁酮溶解，加入過氧化氫和乙酸進行攪拌反應，使硫原子被氧化成磺酰基；后處理得到3-(磺酰基)環丁酮；將3-(磺酰基)環丁酮溶解，向其中加入三乙胺和草酰氯，冰浴本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種鋰離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑包括式Ⅰ所述的2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮
2.如權利要求1所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其特征在于，包括如下步驟：
3.如權利要求2所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其進一步特征在于，反應中所述惰性氣體氛圍為氮氣；加入重鉻酸鉀的酸性溶液，在25-40℃的溫度下攪拌反應；將硫氫化鈉溶解在乙醇中制備成硫醇鈉溶液；硫醇鈉滴加到環丁酮溶液加熱至50-80℃下攪拌反應；將活化后的溶液緩慢滴加到預先冷卻的氨的甲醇溶液中；向反應體系中緩慢滴加甲酸，加熱反應體系至40-60℃攪拌反應。
4.如權利要求2或3所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其進一步特征在于，反應液冷卻后處理得到目標化合物2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的步驟為：將反應液冷卻至室溫；對反應液進行減壓蒸餾，去除溶劑和低沸點的副產物；用乙酸乙酯對剩余物進行萃取；對萃取液用飽和食鹽水洗滌、用無水硫酸鈉干燥；最后通過柱層析純化產物，得到化合物2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮。
5.一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基
6.如權利要求5所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其進一步特征在于，所述電解液中2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的用量為電解液總質量的0.1％-5％，進一步優選為0.1％-2％。
7.如權利要求5或6所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，所述電解液添加劑用量占鋰離子電池電解液總質量的0.1％～20％。
8.如權利要求5或6所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，除2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮外，其它添加劑選自碳酸亞乙烯酯、1,3-丙烷磺內酯、氟代碳酸乙烯酯、二氟草酸硼酸鋰、丁二酸酐、1,3-丙烯磺內酯、四乙烯硅烷、二氟磷酸鋰、三(三甲基硅基)磷酸酯、硫酸乙烯酯、雙草酸硼酸鋰、1,2-雙(氰乙氧基)乙烷、雙草酸二氟磷酸鋰、雙(三氟甲烷磺酰)亞胺鋰、亞硫酸乙烯酯、丙三醇三丙腈醚、丁二腈、己二腈、甲烷二磺酸亞甲酯、乙烯基碳酸乙烯酯、磷酸三炔丙酯、五氟乙氧基環三磷腈、1,3,6-己烷三甲腈、環丁砜、對甲基苯磺酰異氰酸酯、四氟硼酸鋰、4,4'-聯硫酸乙烯酯、苯基三氟甲烷磺酸酯、三(三甲基硅基)亞磷酸酯、三(2,2,2-三氟乙基)亞磷酸酯、三甲氧基磷、亞磷酸三乙酯、三(三甲基硅基)硼酸酯、硼酸三(2,2,2-三氟乙基)酯、1,4-丁磺內酯、順丁烯二酸酐、檸康酸酐、2,3-二甲基馬來酸酐、七氟丁酸酐、磷酸三苯酯、亞磷酸三苯酯、磷酸三炔丙酯、對甲基苯磺酰異氰酸酯、六甲基二硅氮烷、四甲基二乙烯基二硅氧烷、乙烯基三乙氧基硅烷、四甲基四乙烯基環四硅氧烷、2,4,6-三乙烯基-2,4,6-三甲基環三硅氧烷、甲基乙烯基二乙氧基硅烷、烯丙基三甲基硅烷、二環己基碳二亞胺、3-三甲基甲硅烷基-2-惡唑烷酮、三甲基硅烷基二乙胺、N-甲基-N-(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺、三烯基丙基異氰脲酸酯、氰甲基磷酸二乙酯、1,6-己二異氰酸酯中的至少一種。
9.如權利要求5或6所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，所述電解液中鋰鹽的濃度為0.8M-1.4M；所述鋰鹽選自六氟磷酸鋰、雙氟磺酰亞胺鋰中的至少一種。
10.如權利要求5或6所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，所述的無水有機溶劑包括碳酸酯。
...【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池電解液添加劑，其特征在于，所述添加劑包括式ⅰ所述的2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮
2.如權利要求1所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其特征在于，包括如下步驟：
3.如權利要求2所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其進一步特征在于，反應中所述惰性氣體氛圍為氮氣；加入重鉻酸鉀的酸性溶液，在25-40℃的溫度下攪拌反應；將硫氫化鈉溶解在乙醇中制備成硫醇鈉溶液；硫醇鈉滴加到環丁酮溶液加熱至50-80℃下攪拌反應；將活化后的溶液緩慢滴加到預先冷卻的氨的甲醇溶液中；向反應體系中緩慢滴加甲酸，加熱反應體系至40-60℃攪拌反應。
4.如權利要求2或3所述一種鋰離子電池電解液添加劑的合成方法，其進一步特征在于，反應液冷卻后處理得到目標化合物2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的步驟為：將反應液冷卻至室溫；對反應液進行減壓蒸餾，去除溶劑和低沸點的副產物；用乙酸乙酯對剩余物進行萃取；對萃取液用飽和食鹽水洗滌、用無水硫酸鈉干燥；最后通過柱層析純化產物，得到化合物2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮。
5.一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，所述電解液的組分包括鋰鹽、無水有機溶劑、電解液添加劑；其中，電解液添加劑包括2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮；所述電解液中2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的用量為電解液總質量的0.1％-10％。
6.如權利要求5所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其進一步特征在于，所述電解液中2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的用量為電解液總質量的0.1％-5％，進一步優選為0.1％-2％。
7.如權利要求5或6所述一種含2,4-二甲酰胺基磺酰基環丁酮的鋰離子電池電解液，其特征在于，所述電解液添加劑用量占鋰離子電池電解液總質量的0.1％～20％。
【專利技術屬性】
技術研發人員：韓飛，楊允杰，高培，汪勇，周永濤，朱祿發，馬家俊，盧彥志，
申請(專利權)人：華鼎國聯四川動力電池有限公司，
類型：發明
國別省市：
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