[发明专利]一种含有不饱和碳环结构的电解质及其制备方法和应用

说明书

本申请提供一种含有不饱和碳环结构的电解质及其制备方法和应用。其中，所述电解质包括三氟化硼盐，所述三氟化硼盐的结构如通式Ⅰ所示。本申请提供的三氟化硼盐作为电解质的添加剂时，在电极表面能够形成一层稳定的钝化层，可以显著提高电池的首效和循环性能；当作为电解质中的盐时，具有较好的离子传输性、稳定的电化学性能；具有可聚合基团的单体在原位/非原位聚合后还可以作为单离子导体兼高分子骨架应用，效果佳。本申请提供的三氟化硼盐可以应用于液态电池、固液混合电池、半固态电池、凝胶电池、准固态电池和全固态电池中，有助于提高电池的能量密度、循环稳定性、寿命。并且原料价格低廉、合成工艺简单，具有良好的经济效益。

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别涉及一种含有不饱和碳环结构的电解质及其制备方法和应用。

背景技术

二次电池具有高能量密度、低自放电、无记忆效应、高功率的特点，已广泛用于各大领域，从消费电子产品、电动工具等小容量电池应用产品逐渐放大到新能源电动车、电动飞机、电动船舶、机器人等新兴领域，应用领域对电池的容量和能量密度要求进一步放大，对电池材料的要求也不断提高。

以锂电池为例，为了提高电池的能量密度，需要使用高电压高比容的正极材料和低电压高容量的负极材料，如高电压钴酸锂(LCO)、高镍三元(NCM811、NCM622、NCM532和NCA)、镍锰酸锂(LNMO)等正极材料和金属锂、石墨、硅氧碳等负极材料。同时要匹配电化学窗口宽的电解质或在电极的表面形成稳定的钝化层从而提高电池的循环稳定性。

由于固态电解质能大大提高电池的安全性，近年来很多国家也都在发展固态电池，但固态电池本身也有很大的缺点，如：聚合物电解质离子电导率低、与电极的界面阻抗相对较大；氧化物电解质较硬且较脆，不易加工且与电极之间的界面阻抗很大；硫化物电解质对空气极其敏感、与常规氧化物正极之间存在空间电荷层，兼容性差。因此，目前市场上还是以液态电池为主，液态电解质具有导电率高、对电极内部具有良好润湿性的显著优势。电池在首周会消耗部分从正极脱出的离子，在正负极颗粒表面形成只导离子、不导电子的钝化层。形成的钝化层对正负极产生保护作用，使正负极与液态电解质之间更加稳定，从而决定电池的充放电、存储和循环寿命等电化学性能。若形成的钝化层不稳定，随着循环次数的增加，钝化层不断破坏、形成，因此不断消耗电极中的活性离子，导致电池首周放电容量较低、容量衰减严重，电池很快失效。为了提高电池在循环过程中的稳定性，一般会在普通液态电解质中加入成膜添加剂，如有机成膜添加剂FEC(氟代碳酸乙烯酯)、VC(碳酸亚乙烯酯)、VEC(碳酸乙烯亚乙烯酯)、PS(亚硫酸丙烯酯)和1,3-PS(1,3-丙烷磺酸内酯)等。其中在负极表面形成的SEI钝化膜的主要成分有各种无机成分Li₂CO₃、LiF、Li₂O、LiOH等和各种有机成分ROCOOLi、ROLi、ROCOOLi，常规有机成膜电解质添加剂中由于不含可以解离的离子，只能通过消耗正极的离子来形成表面钝化层，因此首效和放电比容均比较低。若加入的添加剂能在电极表面形成一层传导离子、稳定性好的钝化层，且较少消耗来自于电极的离子，那么可以将电化学窗口窄的液态电解质、聚合物电解质应用于高电压电池体系中，且能较大提高电池能量密度和循环寿命。此外，目前商用电解质的盐合成/提纯工艺复杂、价格很高，造成整个电池的成本也比较高，若有一类新电解质的盐合成/提纯工艺简单、价格稍低，使其部分或全部代替现有技术电解质的盐，因而能够兼顾优异的性能和较低的成本。

-SBF₃是一个强极性的基团，其能够与阳离子形成盐，因此，-SBF₃M在分子结构中具有很强的存在感，它的加入可能会改变整个分子结构的性质。在现有技术中，仅有极个别研究者对含有BF₃基团的化合物进行零星的研究。