【技术实现步骤摘要】
本申请涉及新能源储能，尤其涉及一种碱金属离子电池用非水系电解液及碱金属离子电池。
技术介绍
1、随着可再生能源系统的发展，人们在能源转换和存储方面要求越来越高。碱金属离子电池因其比容量高、氧化还原电位低而成为最有前景的高比能电池体系，其包含锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等。
2、目前，锂离子电池因为具有较高的能量密度和功率密度，被广泛地应用于能源存储领域，但因为锂存在着资源稀缺和分布不均的问题，使其大规模应用受到了一定限制。而钠离子电池(sodium-ion battery，sibs)和钾离子电池(potassium-ion battery，pibs)因其具有丰富的元素储量(na和k)以及与锂离子电池相似的工作原理和生产流程，被认为是锂离子电池的理想补充品，在大规模储能领域具有应用潜力。然而，包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池在内的碱金属离子电池，其在高温或低温的温度环境中因存在快速的自放电行为和显著的容量衰减现象，因此如何开发在较宽的工作温度范围内具有高倍率、稳定循环性能的碱金属离子电池，是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
1、为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本申请提供一种碱金属离子电池用非水系电解液及碱金属离子电池，能够改善碱金属离子电池的高温循环性能、高温持续充电性能和低温放电性能，延长电池的使用寿命，提升电池的综合性能。
2、本申请第一方面提供一种碱金属离子电池用非水系电解液，包括有机溶剂、碱金属盐、添加剂；其中，所述添加剂包括添加剂
3、本申请的电解液，作为添加剂a的环状酸酐类化合物和作为添加剂b的含有磺酸基和亚胺基的有机化合物均作为该电解液体系中的成膜添加剂，可以在电池负极表面发生还原、分解、聚合和沉积，从而形成稳定的固体电解质膜sei膜，阻止电解质与活性氧之间的连续副反应，保持负极极片的结构稳定性，改善负极材料在高温和低温条件下的容量衰减问题，提升碱金属离子的界面传输，从而提升电池的高温循环性能；同时，稳定的sei膜结构可以避免电解液的持续还原分解和沉积，减少活性碱金属离子的消耗以及相间阻抗的增加，抑制产气副反应的发生，使得电池在高温持续充电时具有良好的热稳定性，提高电池的高温持续充电性能；以及，通过添加剂a和添加剂b作为成膜添加剂可改善成膜条件，降低成膜阻抗和电荷转移阻抗，减少低温条件下的电极极化现象，提高碱金属离子的迁移速率，提高电池的低温放电性能。因此，采用本申请的添加剂a和添加剂b的联用，可以有效提升电池的高温循环性能、高温持续充电性能和低温放电性能。
4、在本申请的一些实施方式中，所述添加剂a包括如下结构通式(ⅰ)、结构通式(ⅱ)或结构通式(ⅲ)的至少一种：
5、
6、其中r1、r2独立地选自羰基或选自具有1-20个碳原子的烃基；
7、
8、其中r3、r4独立地选自具有1-10个碳原子的烃基；
9、
10、
11、其中r5、r6、r7、r8独立地选自氢原子、氮原子、硫原子、氨基、胺基、巯基、硫醇基或选自具有1-6个碳原子的烃基；
12、所述添加剂b的结构通式如下所示：
13、
14、其中，r9、r10独立地选自被卤素原子取代或未被取代的烷烃基，r11选自芳香烃、吡啶、吡咯、噻吩、噻唑、咪唑或选自具有1-6个碳原子的不饱和烃基。
15、本申请的添加剂a选用具有一个或两个环状酸酐的化合物，酸酐易在负极界面发生还原成膜反应，从而在负极界面形成稳定的sei膜，隔离电解液和电极界面的直接接触，缓解电解液的消耗以及降低电池在高温条件下活性碱金属离子在负极界面的不可逆损失，提升电池的高温循环性能和高温持续充电性能。本申请的添加剂b选用含有双磺酰基和亚胺基的有机化合物，其具有高还原活性，可以先于电解质在负极表面形成薄且致密的sei膜，可以提高负极的相间稳定性，调节电极/电解质界面的溶剂化/脱溶剂化反应机制，促进具有低聚物和富集无机盐复合结构的稳定sei膜的构建，进而提供快速的na+/k+和有效的电子传输途径，减少电解液的分解反应，保持负极结构的完整性。因而当添加剂a和添加剂b联合使用时，可以有效提升电池在高温条件下的循环性能和持续充电性能以及在低温条件下的放电性能。
16、在本申请的一些实施方式中，所述添加剂a在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％，所述添加剂b在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％。添加剂a或添加剂b的含量过低时，无法在电解液中发挥其作用，而添加剂a或添加剂b的含量过高时，可能会增大电解液粘度，不利于na+/k+和有效的电子传输，影响电池的放电倍率性能，因此将添加剂a和添加剂b在电解液中的含量限定在上述范围内，能够有效提升电池的综合性能。
17、在本申请的一些实施方式中，所述碱金属盐为钠盐、钾盐或锂盐。
18、其中，钠盐选自六氟磷酸钠、高氯酸钠、四氟硼酸钠、二草酸硼酸钠、二氟草酸硼酸钠、二氟磷酸钠、双氟磺酰亚胺钠、甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钠中至少一种；钾盐选自六氟磷酸钾、高氯酸钾、四氟硼酸钾、二草酸硼酸钾、二氟草酸硼酸钾、二氟磷酸钾、双氟磺酰亚胺钾、甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸钾中至少一种；锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸锂中至少一种。
19、本申请的电解液，适用于钠离子/钾离子/锂离子电池体系。与锂离子电池体系相比，钠离子/钾离子半径均比锂离子半径大，因此钠离子/钾离子电池中的钠离子/钾离子在正负极嵌入/脱嵌时阻力会更大，可逆性差，不可逆容量损失更大，循环性能较差。而通过本申请所述的添加剂a和添加剂b以及添加剂和上述碱金属盐的联用，由于添加剂a和添加剂b均可以优先在电池负极表面发生还原分解、聚合和沉积，从而在负极界面形成稳定的界面保护层sei膜并抑制产气副反应的发生，减少活性碱金属离子na+/k+的消耗以及相间阻抗的增加，减少低温环境下电极发生的极化现象，提高na+/k+的迁移速率，从而提升电池的高温循环性能、高温持续充电性能和低温放电性能，因此本申请的电解液除可以应用于锂离子电池体系外，还适用于钠离子/钾离子电池体系，且钠离子/钾离子的高温循环性能、高温持续充电性能、低温放电性能均得以提升。
20、在本申请的一些实施方式中，所述碱金属盐在所述电解液中的质量占比为6％～15％。当电解液中碱金属盐浓度过低时，电解液的电导率低，影响整个电池体系的倍率和循环性能；当电解液盐浓度过高时，电解液浓度过大，同样影响整个电池体系的倍率。
21、在本申请的一些实施方式中，所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、碳酸甲丙酯、四氢呋喃、环氧丙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碱金属离子电池用非水系电解液，其特征在于，包括有机溶剂、碱金属盐、添加剂A和添加剂B，所述添加剂A为环状酸酐类化合物，所述添加剂B为含有磺酰基和亚胺基的有机化合物。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述添加剂A包括如下结构通式(Ⅰ)、结构通式(Ⅱ)或结构通式(Ⅲ)的至少一种：
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于：所述添加剂A在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％，所述添加剂B在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的电解液，其特征在于：所述碱金属盐为钠盐、钾盐或锂盐。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于：所述碱金属盐在所述电解液中的质量占比为6％～15％。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、碳酸甲丙酯、四氢呋喃、环氧丙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸丙酯中至少一种。
7.根据权利要求
8.一种碱金属离子电池，其特征在于，包括如权利要求1至7任意一项所述的电解液。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于：所述电池还包括正极极片和负极极片；所述正极极片包括正极集流体和包覆于所述正极集流体表面的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括碱金属的层状氧化物、普鲁士蓝类化合物或聚阴离子型化合物；所述负极极片包括负极集流体和包覆于所述负极集流体表面的负极活性材料层，所述负极活性材料层中的材料包括硬碳、软碳、人造石墨、石墨烯中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于：所述电池还包括正极极片和负极极片；在所述负极极片中，N、S元素总质量占比分别不低于100ppm；在所述正极极片中，N、S元素总质量占比分别不低于100ppm。
...【技术特征摘要】
1.一种碱金属离子电池用非水系电解液，其特征在于，包括有机溶剂、碱金属盐、添加剂a和添加剂b，所述添加剂a为环状酸酐类化合物，所述添加剂b为含有磺酰基和亚胺基的有机化合物。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述添加剂a包括如下结构通式(ⅰ)、结构通式(ⅱ)或结构通式(ⅲ)的至少一种：
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于：所述添加剂a在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％，所述添加剂b在所述电解液中的质量占比为0.01％～5％。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的电解液，其特征在于：所述碱金属盐为钠盐、钾盐或锂盐。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于：所述碱金属盐在所述电解液中的质量占比为6％～15％。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、碳酸甲丙酯、四氢呋喃、环氧丙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢海芳，张昌明，段凯嘉，李枫，胡大林，廖兴群，
申请(专利权)人：广东省豪鹏新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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