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一种耐高压离子液体锂电池 电解质及锂电池

阅读：491发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种耐高压离子液体锂电池电解质及锂电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种耐高压离子液体锂电池电解质，包括离子液体和锂盐，离子液体由阳离子和阴离子组成，阳离子的结构通式为：或式中，R1为烷基，R2为供电子基团，n为0～9之间的整数；阴离子为选自PF6-、BF4-、ClO4-、N(CF3SO2)2-、CF3SO3-、C2BF2O4-和BF2O4-中的一种或多种；锂盐在耐高压离子液体锂电池电解质中的摩尔浓度为0.5～5.0mol/L。本发明通过在特定种类的离子液体中溶解不同的锂盐而获得耐高电压的电解质，不仅具有优异的耐高电压、耐高温、安全性和可靠性提高的优点，还表现出成本低、易合成和高离子电导率、低界面电阻的优点，适用于在锂电池中的大规模应用；其具有比较好的稳定性，耐高温，锂离子迁移数高，将其用于高电压锂金属二次电池，能大幅提高其循环性能和安全性能。，下面是一种耐高压离子液体锂电池电解质及锂电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种耐高压离子液体锂电池电解质，包括离子液体和锂盐，所述离子液体由阳离子和阴离子组成，其特征在于，所述阳离子的结构通式为：
式中，R1为烷基，R2为供电子基团，n为0～9之间的整数；所述阴离子为选自PF6-、BF4-、ClO4-、N(CF3SO2)2-、CF3SO3-、C2BF2O4-和BF2O4-中的一种或多种；
所述锂盐在所述耐高压离子液体锂电池电解质中的摩尔浓度为0.5～5.0mol/L。
2.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：R2为选自烷基、烷氧基和环氧烷基中的一种。
3.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：R1为甲基和乙基中的一种。
4.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：n为1～5之间的整数。
5.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：所述阴离子为选自PF6-、BF4-、ClO4-和N(CF3SO2)2-中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：所述锂盐为选自双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、高氯酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和三氟甲基磺酸锂中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的耐高压离子液体锂电池电解质，其特征在于：所述锂盐在所述耐高压离子液体锂电池电解质中的摩尔浓度为1.0～5.0mol/L。
8.一种锂电池，包括正极、负极和电解质，其特征在于：所述的电解质为权利要求1至7中任一项所述耐高压离子液体锂电池电解质，所述负极为锂金属；所述正极为选自磷酸铁锂、三元材料、镍锰酸锂和硫碳材料中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于：所述正极和所述负极还独立地包括导电添加剂和粘结剂。
10.根据权利要求9所述的锂电池，其特征在于：所述导电添加剂为选自炭黑、超级炭黑、天然石墨、合成石墨、石墨烯和金属颗粒中的一种或多种，所述粘结剂为选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和羧甲基纤维素中的一种或多种。

说明书全文

一种耐高压离子液体锂电池 电解质及锂电池

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种耐高压离子液体锂电池电解质及锂电池。

背景技术

[0002] 锂离子电池如今是电脑、iPad、手机等便携式电子设备的主要结构单元，主要是因其具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、放电电压稳定、充放电快速和环保等优点。然而，随着社会的发展，对于锂离子电池的要求也就要来越高，例如寻求更高的功率密度、能源密度、电池的快速充电成为了许多科研探究的方向。

[0003] 因为电池所提供的功率和能量与工作电压成正比，所以为了解决上述问题，提高电池的电压是最简单直接方法。传统的电极材料，例如LiCoO2(3.9 V)，LiMn2O4(4.1 V)，LiFePO4(3.5 V)有着相对较低的氧化还原电压，进而限制了电池的性能。如今商业化的锂离子电解质适用电压在4.5V以下，高于4.5V电解质将会发生分解。例如商业化的有机碳酸脂类电解质在高压下易于氧化分解，导致电池性能快速衰退。因此，研究制备能够耐受高电压的锂离子电解质对于发展高能量密度、高功率密度、快速充电电池具有极其重要的意义。具有尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4具有4.7V左右的氧化还原电压，以及高的功率密度(1C＝
145mAh g-1)，本发明的电池为LiNi0.5Mn1.5O4。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种耐高压离子液体锂电池电解质及锂电池。

[0005] 离子液体是一种室温熔融盐，其优良的耐高温、不易燃、难挥发、电化学稳定性能，可以人工精准调控其分子结构。离子液体电解质由于可以同时兼顾良好的离子传导的动力学及高离子浓度的要求而被认为是一种具有潜力的电解质。因此，将离子液体与适当的锂盐混合制备成耐高电压锂离子电池电解质，是一种可行的思路。不仅具有优异的枝晶生长抑制、安全性和可靠性提高的优点，还表现出良好的锂离子电导率，热稳定性、电极电解质兼容性；有助于电极电解质界面膜SEI的生成，因此，在高电压、高功率锂金属电池中具有巨大的应用前景。

[0006] 本发明的第一个目的在于提供一种耐高压离子液体锂电池电解质，包括离子液体和锂盐，所述离子液体由阳离子和阴离子组成，所述阳离子的结构通式为：R1为烷基，R2为供电子基团，n为0～9之间的整数；所
述阴离子为选自PF6-、BF4-、ClO4-、N(CF3SO2)2-、CF3SO3-、C2BF2O4-和BF2O4-中的一种或多种；

[0007] 所述锂盐在所述耐高压离子液体锂电池电解质中的摩尔浓度为0.5～5.0mol/L。

[0008] 具体地，R2为选自烷基、烷氧基和环氧烷基中的一种。

[0009] 优选地，R2为选自烷基和烷氧基中的一种。

[0010] 进一步优选地，R2为选自甲基和甲氧基中的一种。

[0011] 具体地，R1为甲基和乙基中的一种。

[0012] 具体地，n为1～5之间的整数。

[0013] 优选地，n为选自1、3和5中的一种。

[0014] 具体地，所述阴离子为选自PF6-、ClO4-、BF4-和N(CF3SO2)2-中的一种或多种。

[0015] 优选地，所述的阴离子为选自PF6-、BF4-和N(CF3SO2)2-中的一种。

[0016] 具体地，所述锂盐为选自双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、高氯酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和三氟甲基磺酸锂中的一种或几种。

[0017] 优选地，所述的锂盐为选自双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、高氯酸锂、二氟草酸硼酸锂中的一种。

[0018] 更进一步优选地，所述的锂盐为选自双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂中的一种。

[0019] 优选地，所述锂盐在所述耐高压离子液体锂电池电解质中的摩尔浓度为1.0～5.0mol/L。

[0020] 本发明的第二个目的在于提供一种锂电池，包括正极、负极和电解质，所述的电解质为如上所述耐高压离子液体锂电池电解质，所述负极为锂金属；所述正极为选自磷酸铁锂、三元材料、镍锰酸锂和硫碳材料中的一种或几种的组合。

[0021] 具体地，所述正极和所述负极还独立地包括导电添加剂和粘结剂。

[0022] 优选地，所述导电添加剂为选自炭黑、超级炭黑、天然石墨、合成石墨、石墨烯和金属颗粒中的一种或多种，所述粘结剂为选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和羧甲基纤维素中的一种或多种。

[0023] 具体地，所述锂电池还包括位于所述正极与所述负极之间的多孔聚合物隔膜。

[0024] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明耐高压离子液体锂电池电解质，通过在特定种类的离子液体中溶解不同的锂盐而获得耐高电压的电解质，不仅具有优异的耐高电压值，耐电压值大于4.5V，耐高温、安全性和可靠性提高的优点，还表现出成本低、易合成和高离子电导率、低界面电阻的优点，适用于在锂电池中的大规模应用；其具有比较好的稳定性，耐高温，锂离子迁移数高，将其用于高电压锂金属二次电池，能大幅提高其循环性能和安全性能。附图说明

[0025] 图1为实施例5制得的耐高电压离子液体的耐高电压性能测试图；

[0026] 图2为实施例5制备的耐高压离子液体锂电池电解质应用于Li/LiNi0.5Mn1.5O4电池的充放电曲线图；

[0027] 图3为实施例5制备的耐高压离子液体锂电池电解质应用于Li/LiNi0.5Mn1.5O4电池的阻抗图；

[0028] 图4为实施例5制备的耐高压离子液体锂电池电解质应用于Li/LiNi0.5Mn1.5O4电池的循环稳定图。

[0029] 图5为实施例5制备的耐高压离子液体锂电池电解质应用于Li/LiNi0.5Mn1.5O4电池的库伦效率图。

[0030] 图6为实施例5制备的耐高压离子液体锂电池电解质应用于Li/LiNi0.5Mn1.5O4电池循环10次之后的扫描电镜图。

具体实施方式

[0031] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。

[0032] 本发明的电池为纽扣电池。

[0033] 本发明提供一种耐高压离子液体电解质及锂电池，具体步骤如下：

[0034] 1、离子液体的制备：将阳离子供体与阴离子供体，在甲醇中，氮气条件下50℃搅拌，得到盐，再加入阴离子交换盐，进行阴离子交换，得到了离子液体。

[0035] 2、耐高压离子液体锂电池电解质的制备：将锂盐按一定的投料量溶解于上述离子液体中，得到耐高压离子液体锂电池电解质。

[0036] 3、电池的组装方法：将LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)、超级炭黑、PVDF按质量比8:1:1的比例均匀分散在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中制成浆料，刮涂在铝箔上，干燥后切成直径为12mm的圆片作为电池正极极片(极片的活性物质含量约为1.0mg/cm2)；或者LiCoMnO4、PVDF、超级炭黑按质量比8:1:1的比例分散在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中分散均匀制成浆料，涂在铝箔上，然后在60℃加热24小时至烘干，作为电池正极极片(硫负载量约为1.2mg/cm2)。以厚度大约20μm锂金属箔作为电池负极极片。组装扣式电池时，在手套箱中放好负极、隔膜和上述耐高压离子液体锂电池电解质，夹在锂金属箔之间和LNMO电极，最后形成扣式电池。

[0037] 以下是实施例1-5及对比例1-4的测试数据，如下表所示：

[0038]

[0039]

[0040] 表1

[0041] 从图1分别为实施例5与对比例3的制得的离子液体电解质的线性伏安扫描图，离子液体电解质中的离子液体，R2分别为供电子基团、吸电子基团对离子液体电化学性能的影响，当R2为供电子基团，耐电压值能达到5.23V。

[0042] 从图2为电池的充放电曲线图。

[0043] 从图3中能够看出，离子液体电解质具备较高的离子电导率。

[0044] 从图4、图5能够看出本发明实施例5的离子液体电解质能够维持镍锰酸锂/锂金属电池以及锂硫电池的稳定循环。

[0045] 从图6能够看出实施例5制备的离子液体电解质应用于镍锰酸锂/锂金属二次电池的LNMO电极材料大量循环之后的扫描显微镜图，表明生成了均匀的SEI电极保护膜。

[0046] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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