本發(fā)明涉及一種高安全性的電解質(zhì)及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、開發(fā)新型動力電池來推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，加快我國由汽車大國向汽車強國轉(zhuǎn)型是國家的重大戰(zhàn)略需求。目前，商用的鋰離子電池能量密度已接近理論極限，亟需發(fā)展與新能源汽車匹配的高比能、高倍率、長壽命的動力電池體系，推進(jìn)我國汽車結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，加速實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

2、然而，使用有機(jī)電解液的鋰金屬電池面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，有機(jī)電解液存在著易泄露和易燃等風(fēng)險。更為嚴(yán)重的是，金屬鋰在沉積過程中容易形成枝晶，刺穿隔膜引起電池短路，引發(fā)電池內(nèi)部劇烈反應(yīng)、溫度迅速升高等熱失控問題，從而導(dǎo)致電池起火爆炸。

3、設(shè)計高安全性的電解液是規(guī)避電池?zé)崾Э仫L(fēng)險最便捷的策略之一。近年來，研究人員致力于開發(fā)阻燃性電解液、高濃電解液和局域高濃電解液等高閃點和不易燃的有機(jī)電解液體系，顯著提高了鋰金屬電池的安全性。然而，上述電解液難以抑制電池內(nèi)短路以及在高溫條件下電極與電解質(zhì)之間的界面反應(yīng)，電池?zé)崾Э厝杂锌赡馨l(fā)生。因此，開發(fā)高效安全的電解質(zhì)體系對實現(xiàn)鋰金屬電池實用化具有重要意義。固態(tài)電解質(zhì)因不含易燃易揮發(fā)溶劑，有望解決因電解液燃燒引發(fā)的安全問題。但是研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)與金屬鋰存在嚴(yán)重的界面接觸性問題。且枝晶有可能沿著晶界生長，導(dǎo)致電池短路，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高安全性的電解質(zhì)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種高安全性的電解質(zhì)及其制備和應(yīng)用，

4、所述電解質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)控離子傳輸以及高溫?zé)峋酆瞎δ堋?/p>

5、所述電解質(zhì)熱聚合響應(yīng)溫度范圍80℃以上，優(yōu)選范圍為100～150℃。

6、所述電解質(zhì)包括溶劑、有機(jī)鋰鹽、引發(fā)劑，引發(fā)劑占電解質(zhì)總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～10％，有機(jī)鋰鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～70％。其余為溶劑；所述電解質(zhì)中溶劑僅能在溫度高于80℃以上聚合，低于80℃為液態(tài)。優(yōu)選引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～5％，有機(jī)鋰鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15～50％。

7、所述電解液根據(jù)所述鋰鹽可主要分為兩類：

8、(1)所述鋰鹽為四氟硼酸鋰、二草酸硼酸鋰、雙三氟甲基磺酰亞胺鋰、三氟甲基磺酸鋰、高氯酸鋰等中的一種或二種以上時，所述溶劑必須在高溫和引發(fā)劑的共同作用下進(jìn)行聚合：

9、所述溶劑為1，3-二氧戊烷、n-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、碳酸亞乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氟代丙烯酸酯等含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)或碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子中的一種或二種以上；

10、所述引發(fā)劑為四氯化錫、三氟甲磺酸錫、氟代碳酸乙烯酯、偶氮二異丁腈等中的一種。

11、(2)所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、二氟草酸硼酸鋰、雙氟磺酸亞胺鋰等中的一種或二種以上時，由于鋰鹽會誘導(dǎo)溶劑a在室溫條件下聚合，必須引入室溫不會聚合的溶劑b維持電解液在室溫為液態(tài)：所述溶劑為溶劑a和溶劑b的混合溶劑；溶劑a和溶劑b的質(zhì)量比范圍為9：1到1：9。

12、所述溶劑a為含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)或碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子；優(yōu)選溶劑為1，3-二氧戊烷、n-甲基吡咯烷酮、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、碳酸亞乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氟代丙烯酸酯等中的一種；

13、所述溶劑b為線性結(jié)構(gòu)且能溶解所述鋰鹽的有機(jī)分子；優(yōu)選溶劑為碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、聚乙二醇二甲醚、磷酸三乙酯、磷酸三(2,2,2-三氟乙基)酯等中的一種。

14、上述鋰電池用電解質(zhì)制備方法，該方法采用如下步驟制備：

15、(1)將所需鋰鹽溶解于有機(jī)溶劑中，得到均勻溶液；

16、(2)將所需引發(fā)劑溶解在上述溶液中，攪拌均勻得到所需有機(jī)電解液；

17、所述引發(fā)劑占電解質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～10％；所述有機(jī)鋰鹽占電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～70％；

18、所述鋰電池，負(fù)極為金屬鋰；正極可使用對應(yīng)的金屬離子電極材料(如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鈷酸鋰、磷酸釩鋰等)。

19、本發(fā)明的有益結(jié)果為：

20、本發(fā)明涉及提高鋰電池安全性的電解質(zhì)的制備和應(yīng)用，

21、(1)鋰鹽或添加劑能夠優(yōu)先與鋰反應(yīng)可在鋰表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面層(sei)，調(diào)控鋰沉積形貌，抑制枝晶生長。

22、(2)一旦電池內(nèi)部出現(xiàn)微短路、局部溫度升高，電解質(zhì)中的溶劑能在溫度熱點區(qū)域迅速發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)，阻斷正負(fù)兩極反應(yīng)，防止電池繼續(xù)升溫。

23、(3)電解質(zhì)自身可以通過熱自由基聚合行為迅速從液體轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)或固體，這種電解液具有高穩(wěn)定性，難以在高溫條件下分解，提高電池的熱穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種高安全性的電解質(zhì)，其特征在于：所述電解質(zhì)包括溶劑、有機(jī)鋰鹽、引發(fā)劑，引發(fā)劑占電解質(zhì)總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～10％，有機(jī)鋰鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～70％；其余為溶劑；所述電解質(zhì)中溶劑僅能在溫度高于80℃以上聚合，低于80℃為液態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)，其特征在于：根據(jù)所述有機(jī)鋰鹽可主要分為兩類：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)，其特征在于：所述電解質(zhì)具有高溫?zé)峋酆吓c調(diào)控界面離子傳輸功能，所述電解質(zhì)熱響應(yīng)溫度為80℃以上，優(yōu)選范圍為100～150℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電解質(zhì)，其特征在于：所述電解質(zhì)能在電極表面形成穩(wěn)定界面層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，所述的電解質(zhì)包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于：所述電解質(zhì)應(yīng)用于以金屬鋰為負(fù)極的鋰電池中。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述電解質(zhì)的應(yīng)用，其特征在于：所述鋰電池，負(fù)極為金屬鋰。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述電解質(zhì)的應(yīng)用，其特征在于：正極電極材料包括磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鈷酸鋰、磷酸釩鋰中的一種或幾種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高安全性的電解質(zhì)及其制備和應(yīng)用。該電解質(zhì)在工作溫度下不會影響電解質(zhì)的離子傳輸，并且能與金屬鋰反應(yīng)形成穩(wěn)定界面層調(diào)控鋰離子均勻沉積。一旦電池局部溫度升高，電解液可以通過自身熱自由基聚合行為迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆蠎B(tài)。含有這種電解液的電池在極端熱濫用條件下不會觸發(fā)內(nèi)部短路，具有出色的安全性能，以上反應(yīng)機(jī)制極大地提高了電池的安全性能。

技術(shù)研發(fā)人員：羅洋,李沛洵,饒中浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21