[发明专利]一种饱和杂链类硫基电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种饱和杂链类硫基电解质及其制备方法和应用，所述电解质包括以下通式I所表示的硫基三氟化硼盐：在通式Ⅰ中，R或R₁独立地为无或含有至少一个原子的第一链；且R和R₁不同时为无；R₂、R₃为无或含有至少一个原子的第二链；M为金属阳离子；第一链和第二链均为饱和链；第一链和第二链中的任意一个C上的H均可独立地被取代基取代，所述第一链、第二链以及链式取代基中含有至少一个杂原子。本申请中的三氟化硼盐在电解质中既可作为添加剂应用又可作为盐应用。其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

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种饱和杂链类硫基电解质及其制备方法和应用。

背景技术

由于便携式电子设备的广泛应用和电动汽车的日益普及，二次电池在过去几十年中受到了广泛的关注。高能量密度的二次电池在手机、便携式电子产品和电动汽车中占据了很大的市场，然而，未来大规模储能等的需求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，需要提高电池的工作电压和放电容量，使用高电压高容量正极材料和低电压高容量负极材料；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。

电解质主要包括液态电解质和固态电解质。尽管目前商用的电池主要采用液态电解质，其具有导电率高、在电极表面具有良好润湿性的显著优势，但由于液态电解质存在漏泄、易挥发、易燃性和热稳定性不足等缺点，使其发展面临瓶颈。固态电解质是解决或减轻这些问题的一种很有前途的选择，与液体电解质相比，固态电解质具有更高的安全性和热稳定性。此外，由于固态电解质能有效抑制锂枝晶的形成，使得应用金属锂负极成为可能。尽管固态电解质具有显著的优势，但仍存在一些不足。如聚合物电解质离子电导率低；氧化物电解质硬度太大、脆性大、电解质-电极界面阻抗较大；硫化物电解质加工处理难度高、成本高、界面阻抗大、对空气及其敏感等问题，制约了其广泛应用。

在电池中，当高电压正极、低电压负极匹配常规电解质时，在首周会消耗部分从正极脱出的离子，而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，因此不断消耗电池中的活性离子，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，如在负极表面形成的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)。常规成膜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。若添加的盐/添加剂能在电极表面形成一层传导离子、且稳定性好的钝化层，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。