一种含两性离子的高导电电解液、制备方法及制备的电池与流程

1.本发明涉及电解液技术领域，具体涉及一种含两性离子的高导电电解液、制备方法及制备的电池。


背景技术：

2.如今二次电化学能量存储设备锂离子电池，电容器等已广泛应用。
3.以典型锂离子二次电池为例，其电化学性能主要由正负极材料及电解液决定，其中电解液在电池工作时起着a.运输锂离子的作用，因此电解液传导锂离子的速度将极大影响锂电池的电性能，尤其是充放电速度。b.与负极材料反应形成sei膜，改善电池电性能，因此电解液的成分将直接影响电池sei膜的成分，将决定电池的性能水平。
4.随着对二次电化学能量存储设备性能的进一步要求，开发具有更高电导率且sei膜质量更高的电解液是十分必要的。而两性离子作为一种在同一个分子内同时含有阴阳离子的一类物质，分子内自带电场，导电率性能优异，将其作为添加剂应用到电解液中，可极大提高电解液的电导率，从而提高设备的电性能。
5.公布号为cn102723528a的中国专利申请文献，公开了一类两性离子液体电解质材料及其制备方法与其在锂电池中的应用，其中两性离子液体的中心阳离子为季铵盐，中心阴离子为磺酸根，并且氮的烷基侧链有聚醚链和有机硅功能团。该发明两性离子液体电解质材料，分子结构中含阴离子、阳离子的两性离子液体部分以提高锂离子的迁移率和传导率，聚醚链以提供与锂离子络合点，进行离子传输，有机硅功能团以提高电池的界面性能。但对于电解液的电导率的影响没有具体说明。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的电解液的电导率不高的问题。
7.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
8.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：锂盐溶质0.1-50％、添加剂0.01-20％和溶剂加至100％；所述添加剂包括两性离子添加剂。
9.有益效果：本发明通过特殊配比的锂盐溶质、添加剂和溶剂的组合，添加剂包括两性离子添加剂，获得一种高导电的电解液，提高了电解液的电导率。
10.优选的，所述两性离子包括阳离子部分和阴离子部分；所述阳离子部分为咪唑、吡啶、吡唑、吡咯或铵根；所述阴离子部分为磺酸根、醋酸根或氟阴离子。
11.优选的，所述两性离子添加剂为咪唑磺酸盐(式ⅰ)或吡啶磺酸盐(式ⅱ)
12.13.有益效果：上述两性离子分子极性强，整体呈电中性，在电场中不会发生电迁移，能促进锂盐的解离，提高锂离子迁移速度，提高电解液的电导率。且磺酸根可与锂离子负极发生作用，形成硫酸盐的sei膜，导电性好，可有效降低电池内阻，改善功率性能。且不易挥发不易燃，有较高的安全性。
14.优选的，所述锂盐溶质为lipf6、lifsi、litfsi、libf4、lisbf6、liasf6、litaf6、lialcl4、li2b
10
cl
10
、li2b
12
fxh
(12-x)
、lib(c2o4)2、lib(o2cch2co2)2、lib(o2ccf2co2)2、lib(c2o4)(o2cch2co2)、lib(c2o4)(o2ccf2co2)、lip(c2o4)3、lip(o2ccf2co2)3、liclo4、licf3so3、lin(so2c
pf2p 1
)(so2cqf
2q 1
)或lic(so2c
tf2t 1
)(so2cpf
2p 1
)(so2c
qf2q 1
)中的一种或多种的组合，其中x＝0-12，p＝1-10，q＝1-10，和t＝1-10。
15.优选的，所述溶剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、丙烯酸乙酯、丙酸甲酯、乙酸乙酯、二甲醚、四氢呋喃或石油醚中的一种或多种的组合。
16.优选的，所述添加剂还包括丙烷磺酸内酯、三氟甲基苯硫醚、对甲苯磺酸、噻吩及其衍生物、有机硅类化合物、碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、so2、co2、co、苯甲醚、四氯乙烯、丙烯酸腈、醋酸乙烯酯、li2co3、三甲基磷酸酯、三乙基磷酸酯、六甲基磷腈、胺类、冠醚、或穴状配体中的一种或者多种的组合。
17.优选的，所述噻吩及其衍生物包括但不限于噻吩、苯并噻吩、卤代噻吩、烷烃基取代噻吩。
18.优选的，所述有机硅类化合物包括但不限于烷烃基硅氧烷、卤代硅氧烷。
19.优选的，所述胺类包括但不限于烷基胺、卤代胺。
20.优选的，所述冠醚包括但不限于15-冠-5、18-冠-6、氮杂冠。
21.优选的，所述穴状配体包括但不限于穴醚、卤杂穴状配体。
22.优选的，所述两性离子添加剂的合成过程包括以下步骤：将阳离子部分加入溶剂a中溶解，缓慢加入阴离子部分，室温或加温搅拌，得到沉淀物；再将所得沉淀物用乙醚清洗，并使用醇类进行数次重结晶，烘干，得到两性离子固体粉末。
23.优选的，所述溶剂a为有机溶剂。
24.优选的，所述溶剂a为苯、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、丙酮、乙腈、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、醇类的一种或多种的组合。
25.优选的，通过过滤或离心方法，得到沉淀物。
26.优选的，所述醇类为乙醇。
27.优选的，所述烘干操作为自然烘干、烘箱加热烘干、真空干燥中的一种或多种组合。
28.优选的，所述烘箱加热烘干的温度为60℃。
29.本发明还提供一种制备上述电解液的方法，包括以下步骤：将所述溶质，添加剂加入溶剂中，混合，搅拌，得电解液。
30.本发明还提供一种含有上述电解液的二次电化学能量储存设备。
31.优选的，所述二次电化学能量储存设备为电池或电容器。
32.优选的，所述电池为锂电池，锂离子二次电池，锂空气电池，锂硫电池的一种。
33.优选的，所述电容器为锂离子超级电容器。
34.本发明的优点在于：
35.(1)本发明通过特殊配比的锂盐溶质、添加剂和溶剂的组合，添加剂包括两性离子添加剂，获得一种高导电的电解液，提高了电解液的电导率。
36.(2)不同于传统电解液，本发明所提供的电解液基于两性离子添加剂，两性离子添加剂在同一分子上同时带正负两种电荷的偶极离子，且阴阳离子中心通过共价键结合。由于存在分子内电场，且整体呈电中性，两性离子在电场中不会发生电迁移，反而能提高锂离子迁移速度。同时由于极性强，两性离子添加剂在电解液中与锂盐同时溶解后，其自身较大的介电常数可促进锂离子的解离度，提高电解液的电导率。
37.(3)本发明提供制备的两性离子由于含有磺酸根，可与锂离子负极发生作用，形成硫酸盐的sei膜，导电性好，可有效降低电池内阻，提高功率性能。
38.(4)本发明提供的制备方法简单可行，成本低，适用于高电导电解液的应用。
附图说明
39.图1为本发明实施例1与对比例1在不同温度下的电导率对比图；
40.图2为本发明实施例5与对比例2在不同温度下的电导率对比图；
41.图3为本发明实施例7与对比例3在不同温度下的电导率对比图。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例中所用原料及装置均可从常规商业途径得到。
43.实施例1：
44.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：lipf
6 10％、咪唑磺酸盐5％和碳酸二甲酯85％。
45.该咪唑磺酸盐为(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐，其结构式为：该(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐的制备方法如下：
46.将680mg(10mmol)的咪唑溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。重结晶具体方法为：乙醇加热，加入乙醚清洗后的沉淀物，热过滤后缓慢降温，析出固体后，保温搅拌半小时，过滤后进行干燥。此步骤可重复数次，以保证产物的纯度。
47.此方法得到产物的产量为75％，质谱测得分子量为205.1(m h )，核磁数据为：1h nmr(d2o,400mhz,δ/ppm):8.69(s,1h),7.49(s,1h),7.42(s,1h),4.26(t,2h),2.92(m,2h),2.01(m,2h),1.72(m,2h).13c nmr(d2o,100mhz,δ/ppm):134.48,121.61,120.00,50.02,48.58,28.11,20.92.
48.与(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐相符。
49.本实施例的电解液通过以下方法制备：将lipf
6 10％、咪唑磺酸盐5％加入到碳酸
二甲酯85％中，混合，搅拌，得电解液。
50.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
51.实施例2：
52.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：lifsi 20％、吡啶磺酸盐20％和丙烯酸乙酯60％。
53.该吡啶磺酸盐为4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐，其结构式为：该4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐的制备方法如下：
54.将10mmol的吡啶溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。
55.本实施例的电解液通过以下方法制备：将lifsi 20％、吡啶磺酸盐20％加入到丙烯酸乙酯60％中，混合，搅拌，得电解液。
56.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
57.实施例3：
58.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：liclo
4 0.1％，吡啶磺酸盐20％和丙酸甲酯79.9％。
59.该吡啶磺酸盐为4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐，其结构式为：该4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐的制备方法如下：
60.将10mmol的吡啶溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。
61.本实施例的电解液通过以下方法制备：将liclo
4 0.1％、吡啶磺酸盐20％加入到丙酸甲酯79.9％中，混合，搅拌，得电解液。
62.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
63.实施例4：
64.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：licf3so
3 50％，吡啶磺酸盐0.01％和二甲醚49.99％。
65.该吡啶磺酸盐为4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐，其结构式为：该4-(1h-吡啶-3-基-亚胺)丁基-1-磺酸盐的制备方法如下：
66.将10mmol的吡啶溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。
67.本实施例的电解液通过以下方法制备：将liclo
4 50％、吡啶磺酸盐0.01％加入到二甲醚49.99％中，混合，搅拌，得电解液。
68.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
69.实施例5：
70.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：liasf
6 10％、licf3so
3 5％、丙烷磺酸内酯5％、咪唑磺酸盐5％、碳酸二乙酯15％和二甲醚60％。
71.该咪唑磺酸盐为(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐，其结构式为：该(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐的制备方法如下：
72.将680mg(10mmol)的咪唑溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。重结晶具体方法为：乙醇加热，加入乙醚清洗后的沉淀物，热过滤后缓慢降温，析出固体后，保温搅拌半小时，过滤后进行干燥。此步骤可重复数次，以保证产物的纯度。
73.本实施例的电解液通过以下方法制备：将liasf
6 10％、licf3so
3 5％、丙烷磺酸内酯5％、咪唑磺酸盐5％加入到碳酸二乙酯15％和二甲醚60％中，混合，搅拌，得电解液。
74.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
75.实施例6：
76.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：lib(c2o4)
2 15％、li2b
10
cl
10 15％、硫酸乙烯酯10％、四氯乙烯2％、咪唑磺酸盐3％、丙酸甲酯20％和石油醚35％。
77.该咪唑磺酸盐为(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐，其结构式为：该(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐的制备方法如下：
78.将680mg(10mmol)的咪唑溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。重结晶具体方法为：乙醇加热，加入乙醚清洗后的沉淀物，热过滤后缓慢降温，析出固体后，保温搅拌半小时，过滤后进行干燥。此步骤可重复数次，以保证产物的纯度。
79.本实施例的电解液通过以下方法制备：将lib(c2o4)
2 15％、li2b
10
cl
10 15％、硫酸乙烯酯10％、四氯乙烯2％、咪唑磺酸盐3％加入到丙酸甲酯20％、石油醚35％，混合，搅拌，得电解液。
80.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
81.实施例7：
82.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：
83.lip(c2o4)
3 10％、lib(o2ccf2co2)
2 5％、liclo
4 20％、噻吩5％、六甲基磷腈5％、对甲苯磺酸3％、咪唑磺酸盐2％、碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％和四氢呋喃10％。
84.该咪唑磺酸盐为(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐，其结构式为：该(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐的制备方法如下：
85.将680mg(10mmol)的咪唑溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。
将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。重结晶具体方法为：乙醇加热，加入乙醚清洗后的沉淀物，热过滤后缓慢降温，析出固体后，保温搅拌半小时，过滤后进行干燥。此步骤可重复数次，以保证产物的纯度。
86.本实施例的电解液通过以下方法制备：将lip(c2o4)
3 10％、lib(o2ccf2co2)
2 5％、liclo
4 20％、噻吩5％、六甲基磷腈5％、对甲苯磺酸3％、咪唑磺酸盐2％加入到碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％和四氢呋喃10％，混合，搅拌，得电解液。
87.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
88.实施例8：
89.一种含两性离子的高导电电解液，包括以下组分及其重量百分比：
90.libf
4 10％、li2b
10
cl
10 5％、litaf
6 20％、苯并噻吩5％、氟代碳酸乙烯酯5％、18-冠-6 3％、咪唑磺酸盐8％、碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％和四氢呋喃4％。
91.该咪唑磺酸盐为(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐，其结构式为：该(4-(1h-咪唑-3-鎓-3-基)丁烷-1-磺酸盐的制备方法如下：
92.将680mg(10mmol)的咪唑溶解于10ml甲苯中，缓慢加入10mmol的1，4-丁磺酸内酯。将混合物在室温下搅拌三天，过滤后得到白色沉淀物。将白色沉淀物用乙醚清洗数次后，使用乙醇进行数次重结晶后真空干燥，得到产物。重结晶具体方法为：乙醇加热，加入乙醚清洗后的沉淀物，热过滤后缓慢降温，析出固体后，保温搅拌半小时，过滤后进行干燥。此步骤可重复数次，以保证产物的纯度。
93.本实施例的电解液通过以下方法制备：将libf
4 10％、li2b
10
cl
10 5％、litaf
6 20％、苯并噻吩5％、氟代碳酸乙烯酯5％、18-冠-6 3％、咪唑磺酸盐8％加入到碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％和四氢呋喃4％，混合，搅拌，得电解液。
94.使用本实施例的电解液制备的锂电池。
95.对比例1：
96.一种电解液，包括以下组分及其重量百分比：lipf
6 15％和碳酸二甲酯85％。
97.本对比例的电解液通过以下方法制备：将lipf
6 15％放入到碳酸二甲酯85％，混合，搅拌，得电解液。
98.对比例2：
99.一种电解液，包括以下组分及其重量百分比：liasf
6 10％、licf3so
3 5％、丙烷磺酸内酯10％、碳酸二乙酯15％和二甲醚60％。
100.本实施例的电解液通过以下方法制备：将liasf
6 10％、licf3so
3 5％、丙烷磺酸内酯10％放入到碳酸二乙酯15％和二甲醚60％，混合，搅拌，得电解液。
101.对比例3：
102.一种电解液，包括以下组分及其重量百分比：
103.lip(c2o4)
3 10％、lib(o2ccf2co2)
2 5％、liclo
4 20％、噻吩5％、六甲基磷腈5％、对甲苯磺酸5％、碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％和四氢呋喃10％。
104.本实施例的电解液通过以下方法制备：将lip(c2o4)
3 10％、lib(o2ccf2co2)25％、liclo
4 20％、噻吩5％、六甲基磷腈5％、对甲苯磺酸5％、碳酸乙烯酯20％、丙烯酸乙酯20％
和四氢呋喃10％，混合，搅拌，得电解液。
105.对实施例1、5、7和对比例1-3的电解液在不同温度下进行电导率测试。
106.图1为本发明实施例1与对比例1在不同温度下的电导率对比图，图1中的具体数据如表1所示，从图1和表1中可以看出，实施例1电解液在-30℃-25℃温度区间内电导率均高于对比例1，25℃常温电导率提升23.8％。
[0107][0108]
表1
[0109]
图2为本发明实施例5与对比例2在不同温度下的电导率对比图，图2中的具体数据如表2所示，从图2和表2中可以看出，实施例2电解液在-30℃-25℃温度区间内电导率均高于对比例2，25℃常温电导率提升25.4％。
[0110][0111]
表2
[0112]
图3为本发明实施例7与对比例3在不同温度下的电导率对比图，图3中的具体数据如表3所示，从图3和表3中可以看出，实施例3电解液在-30℃-25℃温度区间内电导率均高于对比例3，25℃常温电导率提升26.3％。
[0113][0114]
表3
[0115]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。