[发明专利]一种含有氮基盐结构的电解质及其制备方法和应用

说明书

本申请提供一种含有氮基盐结构的电解质及其制备方法和应用。其中，所述电解质包括三氟化硼盐，所述三氟化硼盐的结构如通式Ⅰ所示。本申请提供的三氟化硼盐作为电解质的添加剂时，在电极表面形成一层稳定的钝化层，可以显著提高电池的首周效率和循环性能；作为电解质中的盐时，本申请提供的三氟化硼盐具有较好的离子传输性、稳定的电化学性能；具有可聚合基团的单体还可以原位/非原位聚合后作为单离子导体兼高分子骨架应用，效果佳。上述三氟化硼盐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、循环稳定性和寿命，并且原料价格低廉、合成工艺简单，具有较好的经济效益。

技术领域

本申请涉及电池技术领域，特别涉及一种含有氮基盐结构的电解质及其制备方法和应用。

背景技术

电池已经成为便携式设备储能的一种传统方式。智能电子技术的发展对电池的能量密度提出了更高的要求。此外，随着特斯拉(Tesla)等汽车制造商进一步的推动，使电动汽车成为一种新的电池应用领域。电池的每一种应用领域均需要考虑电池电化学性能、安全性和成本。无论如何，使用具有更高能量密度、更长寿命的电池来满足日益增长的能源需求是势在必行的。

以锂电池为例，为了提高电池的能量密度，需要使用高电压高比容的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。

电解质大体上分为液态电解质和固态电解质，液态电解质具有导电率高、对电极内部具有良好润湿性的显著优势。但液态电解质中的有机溶剂易燃、容易发生不可控的副反应、电极界面不稳定、产气严重，导致容量严重衰退、电池循环寿命低、安全性差。上述问题可以通过使用非可燃性的固态电解质得到显著抑制，此外，也有人提出用固态电解质抑制锂枝晶的生长。固态电解质可分为两大类，有机聚合物电解质和无机(硫化物和氧化物)电解质。聚合物具有较好的柔韧性，易于加工且利于与电极的界面接触，但在室温下离子电导率较低，热稳定性有限，电化学窗口较窄；硫化物具有较高的离子电导率和较好的加工能力，但大多数硫化物在空气中不稳定，与水分子会产生有毒的H₂S气体，因此需要极苛刻的处理环境；氧化物具有优异的化学和热稳定性，耐高电压、离子电导率高，但柔韧性差、界面阻抗大。因此，目前依然以液态电解质为主，而为了提高液态电池的循环稳定性，需要在电解质中加入各种功能添加剂，如FEC(氟代碳酸乙烯酯)、VC(碳酸亚乙烯酯)、VEC(碳酸乙烯亚乙烯酯)和DTD(硫酸乙烯酯)等，例如，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，但由于消耗了来自于正极的活性离子，首周效率和放电比容依然稍低。若加入的添加剂能在电极表面形成一层传导离子、稳定性好的钝化层，且较少消耗来自于电极的离子，那么可以有效阻止正负极材料对于电解质的氧化/还原分解，因此，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，较大程度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。

-[NBF₃]^-是一个强极性的基团，其能够与阳离子形成盐，因此，-NBF₃M在分子结构中具有很强的存在感，它的加入可能会改变整个分子结构的性质。在现有技术中，仅有极个别研究者对含有BF₃基团的化合物进行零星的研究，目前没有发现工业应用的成果。