一種哌嗪離子液體鋰離子電池電解液的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于高電壓鋰離子電池的哌嗪類離子液體鋰離子電池電解液，屬 于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子二次電池因具有工作電壓高、能量密度大(重量輕）、自放電率低、無記憶效 應(yīng)、循環(huán)壽命長和無污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電 子設(shè)備及電動汽車中。然而，這些便攜式電子設(shè)備尤其是電動汽車的快速發(fā)展對鋰離子電 池的能量密度及容量提出了越來越高的要求。
[0003]提升鋰離子的工作電壓是提高鋰離子電池能量密度的有效途徑。以 LiNiQ.5Mm.5〇4、LiCoP〇4和LiNiP〇4等材料為代表的高電壓正極材料的放電電壓可高達(dá)5V vs.LiVLi左右，這些高電壓材料用于鋰離子電池能夠提高電池的輸出電壓和功率密度，進(jìn) 一步拓寬鋰離子電池在大功率電氣設(shè)備(尤其是電動汽車)上的使用范圍。目前商品化鋰離 子電池的液體電解液主要是基于碳酸乙烯酯(EC)的碳酸酯基電解液，但當(dāng)體系電壓高于 4.5V時(shí)，常規(guī)碳酸酯基電解液溶劑會發(fā)生分解從而造成整個電池性能的下降。為了滿足鋰 離子電池高能量、高安全性能的需要，新型溶劑體系的開發(fā)是非常有必要的。
[0004] 離子液體(IonicLiquids)由陰、陽離子構(gòu)成，是在室溫或近似室溫下（一般為100 °c以下）以液體形式存在的鹽。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑相比，具有以下優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)：蒸 氣壓極低、不易揮發(fā)、不易燃燒、熱穩(wěn)定性、液態(tài)溫度范圍寬、高電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、溶解能 力好等特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的鋰離子電解液采用的碳酸酯基電解液溶劑在高電壓下易 分解，造成電池性能下降的缺陷，本發(fā)明的目的是在于提供一種具有高電化學(xué)窗口，耐高 電壓穩(wěn)定性好，可以有效改善鋰離子電池在高電壓下的循環(huán)性能和延長使用壽命的哌嗪離 子液體鋰離子電池電解液。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種哌嗪離子液體鋰離子電池電解液，包 括有機(jī)溶劑和鋰鹽以及式1和/或式2結(jié)構(gòu)哌嗪類離子液體；
[0008] 其中，
[0009]HR3和R4各自獨(dú)立地選自氫、&~&〇的烷基、的烷氧基、&~&〇的烯基、 芳香基、駿基、醋基、羥基、氛基、硝基、釀氧基、鹵素、Cl~ClQ的鹵代烷基或Cl~ClQ的鹵代燒 氧基；
[0010] Y-為BF4-、PF6-、tfsi-、fsi-Sbob-。
[0011] 本發(fā)明采用的哌嗪類離子液體具有高電導(dǎo)率、電化學(xué)窗口寬、化學(xué)穩(wěn)定性好以及 溶解能力好的特點(diǎn)，特別適合制備鋰離子電池。哌嗪類離子液體熔點(diǎn)低、粘度低流動性好， 在低溫條件下能夠充分地電離形成陽離子和陰離子，具有較高的離子電導(dǎo)性；同時(shí)，其氧化 電位比較高，電化學(xué)窗口較寬，在高電壓下能夠保持穩(wěn)定不發(fā)生氧化分解反應(yīng)，避免脹氣問 題的產(chǎn)生。含哌嗪離子液體的電解液可以顯著改善鋰離子電池性能，在高電壓(4.5-5.0V) 下穩(wěn)定性得到明顯改善，電池的安全性能提高，循環(huán)壽命延長。
[0012]優(yōu)選的方案，式1結(jié)構(gòu)哌嗪類離子液體中Ri、R2、R3和R4各自獨(dú)立地選自：甲基、乙 基、丙基、丁基、乙烯基、稀丙基、丁烯基、亞乙烯基、苯基、苯甲基、羥基、駿基或醋基。
[0013] 較優(yōu)選的方案，式1結(jié)構(gòu)哌嗪類離子液體中陽離子為N-甲基哌嗪、N-乙基哌嗪、N-苯基哌嗪、N-(2-羥乙基)哌嗪、N-乙烯基哌嗪、N-l，4-二甲基哌嗪、1-甲基-4-乙基哌嗪、1-甲基-4-丙基哌嗪、1，4_二乙基哌嗪、1-乙基-4-丙基哌嗪、1-乙基-4-丁基哌嗪、1-甲基-4-乙烯基哌嗪、1-甲基-4-亞乙烯基哌嗪、1-苯基-4-甲基哌嗪;式2結(jié)構(gòu)哌嗪類離子液體中陽 離子為1，4_二甲基哌嗪、1，4-四甲基哌嗪、1，4-二甲基-1，4-二乙基哌嗪、1，4_二（2-羥乙 基)哌嗪。
[0014] 較優(yōu)選的方案，哌嗪離子液體鋰離子電池電解液由以下質(zhì)量百分比組分組成：鋰 鹽5~15%，哌嗪類離子液體50~85%，有機(jī)溶劑10~45%。
[0015] 較優(yōu)選的方案，有機(jī)溶劑為二甲亞砜、乙甲基砜、甲氧基乙甲基砜、環(huán)丁砜、二甲基 環(huán)丁砜、戊二腈、己二腈、碳酸氟代乙烯酯、碳酸二氟乙烯酯、碳酸三氟甲基乙烯酯、甲基2， 2，2-三氟乙基碳酸酯、乙基2，2，2-三氟乙基碳酸酯、三氟代碳酸丙烯酯中的至少一種。
[0016] 優(yōu)選的方案，鋰鹽為四氟硼酸鋰、六氟磷酸鋰、雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰、雙氟磺 酰亞胺鋰、二草酸硼酸鋰中的至少一種。
[0017] 相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果：
[0018] 1、本發(fā)明的哌嗪類離子液體鋰離子電池電解液添加了哌嗪類離子液體，哌嗪類離 子液體具有熔點(diǎn)低、粘度低流動性好的特點(diǎn)，在低溫條件下能夠充分電離形成陽離子和陰 離子，改善電解液的導(dǎo)電性能。
[0019 ] 2、本發(fā)明的哌嗪類離子液體鋰離子電池電解液中采用的哌嗪類離子液體氧化電 位高，電化學(xué)窗口較寬，在高電壓下能夠保持穩(wěn)定不發(fā)生氧化分解反應(yīng)，避免鋰離子電池脹 氣問題的產(chǎn)生。
[0020] 3、本發(fā)明的哌嗪類離子液體鋰離子電池電解液可以顯著改善鋰離子電池的電化 學(xué)性能，在高電壓(4.5-5.0V)下穩(wěn)定性得到明顯改善，電池的安全性能提高，循環(huán)壽命延 長。
[0021] 4、本發(fā)明的電解液原料易得，配制方法簡單，滿足工業(yè)化應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不限制為發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0023]本發(fā)明實(shí)施例中選用三元材料(LiNi〇.5Mm.5〇4)作為正極活性材料，選用石墨作為 負(fù)極材料，選用含有不同哌嗪離子液體的高電壓電解液作為電解液進(jìn)行組裝的鋰離子電池 進(jìn)行試驗(yàn)。
[0024] 實(shí)施例1
[0025]電解液成分比例為:鋰鹽含量為5wt%，有機(jī)溶劑含量15wt%，哌嗪離子液體含量 80wt%。所述鋰鹽為雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)，所述有機(jī)溶劑為二甲亞砜(DMS0)， 所述哌嗪離子液體結(jié)構(gòu)式如下式所示：
[0027]采用該哌嗪類離子液體電解液組裝鋰離子電池。