[发明专利]有机硅功能化碳酸酯电解质材料，其制备方法及在锂电池电解液中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及化学材料合成和电化学储能技术领域，尤其是涉及一类含有机硅基团和有机碳酸酯基团的有机硅功能化碳酸酯电解质材料，其制备及在锂电池电解液功能添加剂（或共溶剂）中的应用。

技术背景

锂离子电池具有开路电压高、比容量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、应用范围宽、无记忆效应、无污染等优点，作为新型绿色电池，目前已广泛地应用于消费电子产品中。然而，随着电子和通讯设备向更小、更轻和更高性能的方向迅速发展，人们对这些设备的电池性能提出了更高的要求。但是，由于目前商品化锂离子电池负极材料石墨的理论容量只有372mAh/g，且第一次充放电循环又会产生很大的不可逆容量损失，因而开发更高比能量的电池是电池产业的当务之急。

金属锂是已知金属中原子量最小(Mw=6.94)、电负性最负的金属(-3.045V)，因而当其与适当的正极材料匹配构成电池时具有最高的电池电压，其理论比容量可高达3860mAh/g，锂电极的交换电流密度大、极化小，是最理想的电极材料，故金属锂在用于高能锂电池负极方面具有相当诱人的前景。其实，早在20世纪70年代就已经有商品化的锂金属二次电池，但由于金属锂电极在充放电过程中存在一些不安全隐患（易产生锂枝晶）和金属锂二次电池的循环效率偏低导致了其商品化以失败告终。虽然目前金属锂二次电池技术仍然无法实用化，但从长远来看，金属锂二次电池很有可能成为新一代的锂二次电池，目前国内外许多研究机构及知名电池公司又重新研究金属锂二次电池，如锂金属电池、锂空电池和锂硫电池。如果枝晶问题得到解决，它将有很大的市场潜力。

目前，金属锂二次电池的研究主要集中在对电解质体系的改进研究和对锂金属负极的表面改性。在电解液中加入添加剂对锂电极进行表面改性，或直接对金属锂表面进行预处理，使其表面预先形成性能良好的保护膜。Marchioni F.等人利用氯硅烷对金属锂片表面做预处理，并通过红外反射吸收光谱、XPS和EDX对有机硅保护层进行表征，DSC和EIS实验表明，通过氯硅烷处理的锂片的热性能和阻抗有明显改善（Langmuir 2007,23,11597-11602）。Dunn B.等人研究了硅酸四乙酯保护的金属锂片在1mA/cm²的条件下经过100个循环实验后，其阻抗没有任何变化（J.Mater.Chem.,2011,21,1593-1599）。另外，Neuhold S.研究了硅烷试剂中R取代基的大小对锂金属负极稳定性的影响，研究发现，R取代基为三甲基基团或三苯基基团时能增加电池的循环效率，而R取代基团介于两者之间的（如三异丙基基团）则降低电池循环寿命，这可能与硅烷在锂金属表面的覆盖率有关（J.Power.Sources.2012）。由此可见，设计开发新型金属锂表面改性剂可有效提高金属锂电池的循环性能和安全性能，使得锂金属二次电池的趋向于实用化。

发明内容:

本发明的目的是提供一类应用范围广的含有机硅基团和有机碳酸酯基团的有机硅功能化碳酸酯电解质材料，并提供了其制备方法以及用作功能添加剂或共溶剂在锂电池中的应用。

本发明有机硅功能化碳酸酯电解质材料，其化学结构如式1示：

式1

其中R1，R2为-CH₃，R3为-Si(CH₃)₃；或R1，R2选自-OCH₃或-OC₂H₅，R3选自-CH₃或-C₂H₅。

式1化合物含有机硅基团和有机碳酸酯基团，有机硅基团为硅氧烷、有机碳酸酯基团为甘油碳酸酯的衍生物。其中所述硅氧烷为二硅氧烷、二烷氧基硅烷，三烷氧基硅烷类化合物。分子结构中含有机碳酸酯部分有助于锂离子的离解和传导，有机硅功能团能改进金属锂的表面性能和提高材料的界面性能。

本发明还提供了上述有机硅功能化碳酸酯电解质材料的制备方法，其步骤为：（1）烯丙基甘油醚与硅氢烷通过硅氢化反应制备有机硅烷取代的烯丙基甘油醚；（2）有机硅烷取代的烯丙基甘油醚与二氧化碳反应制备目标化合物，最后通过减压蒸馏对上述有机硅电解质材料纯化。