[发明专利]一种含铷和/或铯阳离子的钠离子电池电解液添加剂及其应用

说明书

技术领域

本发明属于钠离子电池领域，具体涉及一种含铷和/或铯阳离子的钠离子电池电解液添加剂及其应用。

背景技术

近年来，由于环境污染、温室效应诱发的雾霾已成为国民健康的重要隐患，节能减排、绿色能源逐渐成为解决环境污染问题的重要手段。传统的化石能源在使用的过程中不仅会污染环境，而且属于不可再生的能源，人们越来越重视对水能、太阳能、风能等可再生能源的开发和利用。但这些能源具有随机性、间歇性的特点，不能直接接入电网为人们所用，需要通过储能系统进行转化，故发展高效便捷的储能技术是目前世界范围内的研究热点。

锂离子电池因其高能量密度、好的循环性能以及高的工作电压，已在各大便捷式电源领域应用。然而锂资源日渐短缺，价格逐渐上升，使新型低成本且可大规模应用的钠离子二次电池应运而生。鉴于钠和锂具有相似的物理化学性能，钠离子电池是下一代综合效能优异的储能电池新体系。

相对于锂离子电池，钠离子电池因其钠资源比锂资源储量十分丰富，分布广泛、提炼简单，成本将大大降低。但与此同时，金属钠的电极电势较锂的高出0.34V，且钠离子电池也存在着缺陷，如钠元素的相对原子质量比锂高很多，导致理论比容量小，不足锂的1/2。钠离子半径比锂离子半径大，使得钠离子在电池材料中嵌入与脱出更难。在锂离子电池中石墨作为负极，具有较好的电化学性能，但是采用常规碳酸酯类电解液，钠离子无法在有序的石墨负极中有序地嵌入脱出，而硬碳作为一种无序的碳材料，是钠离子电池的主要负极材料。

以锂离子电池为例，固体电解质界面(Solid Electrolyte Interface,SEI)膜形成于液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，这种钝化层是一种界面层，具有固体电解质的特征，是电子绝缘体，却是Li⁺的优良导体，Li⁺可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，这层钝化膜即为SEI膜。SEI膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。一方面，SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率；另一方面，SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。SEI膜的形成有效分离了电解液与电极的直接接触，使电解液不会继续在电极界面氧化还原分解。SEI膜越薄且越致密稳定，越能够大大提升电池的循环寿命，降低电池的内阻。

因此，深入研究SEI膜的形成机理、组成结构、稳定性及其影响因素，并进一步寻找改善SEI膜性能的有效途径，一直都是世界电化学界研究的热点。现有的改善SEI膜性能的技术手段之一，就是在电解液中添加特有的成膜添加剂，包括有机成膜添加剂和无机成膜添加剂。有机成膜添加剂主要是代替有机溶剂先被还原，形成SEI膜，这样就抑制了电解液的分解，提高了电池的寿命；而无机成膜添加剂主要包含化学反应型、电化学还原型和SEI膜修饰型三种类型。

含氟化合物即是一类主要的钠离子电池电解液添加剂，目前已有相关文献ACS Appl.Mater.Interfaces,2011,3,4165-4168及中国专利申请CN 103493279 A报道了含氟化合物能有效地在负极形成SEI膜。

铷和/或铯阳离子作为掺杂元素在锂离子电池正极开发(CN105609758 A)及锂离子电池高压电解液开发中(CN 106450452 A)已有应用。然而目前尚未有铷和/或铯阳离子在钠离子电池领域中相关应用的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于为了进一步提高现有技术中钠离子电池的循环稳定性能和电池寿命，因而提供了一种铷和/或铯阳离子在制备钠离子电池电解液中的应用。本发明将含铷和/或铯阳离子的钠离子电池电解液添加剂应用于钠离子电池领域，进一步提高了钠离子电池负极SEI膜的稳定性、降低了阻抗、从而减小了钠离子电池的极化、提高了钠离子电池的循环稳定性能、延长了钠离子电池寿命。