一种钠离子电池电解液及钠离子电池

本发明属于钠离子电池，特别涉及一种钠离子电池电解液及钠离子电池。

背景技术：

1、随着新能源汽车和储能等领域对电池的需求急剧上升，而锂在地壳中的含量仅为17ppm，其储量极低且分布不均，导致锂离子电池价格不断飙升，已无法满足上述领域的应用需求；相比锂而言，钠的储量丰富，分布广泛，提炼过程简单，且钠离子电池与锂离子电池具有类似的工作原理和电池构件；因而，钠离子电池得到越来越广泛的关注。

2、钠离子电池中的电解液作为na+在正负极之间传输的载体，其除了需要拥有高na+电导率外，还需要同时满足钠离子电池正负极对兼容性、低粘度、对隔膜良好的浸润性以及低温特性；虽然钠离子电池和锂离子电池具有相似的“摇椅”原理，但由于钠离子的半径比锂离子半径大35％，且na/na+比li/li+高0.3v；其次，钠离子与溶剂分子的配位结构以及电解液在正负极上的分解路径和产物均与锂离子电池有着较大差异；例如：美国专利申请“具有磺酰胺基电解质的超高压可充电电池”(申请号为：wo2022178271)；其中，虽然公开了n,n二甲基三氟甲基磺酰胺作为溶剂，lifsi作为盐的锂电池电解液，但其作用仅是用于改善金属锂的沉积-剥离效率和提高锂过渡金属氧化物正极的兼容性，尚未有其在钠离子电池领域的应用研究；

3、基于硬碳/软碳负极的钠离子电池的电解液设计原则与基于石墨负极的锂离子电池存在本质的区别。例如：锂离子电池中，ec基电解液会在石墨表面形成良好的固态电解质膜，使石墨具有很好的循环性能，但在钠离子电池中ec基电解液却无法使na+成功嵌入石墨中；又例如：在锂离子电池中，碳酸亚乙烯酯(vc)常常作为负极成膜添加剂，而若将碳酸亚乙烯酯用于钠离子电池中时，易使钠离子电池性能恶化。锂离子电池中电解液在电极表面分解形成的固体电解质界面膜(sei)中通常具有较高含量的lif，而lif被认为是改善sei膜力学性质和li+传导的重要组分；而在钠离子电池的sei中naf却被认为会明显阻碍na+的传导。

4、目前，为了同时满足硬碳兼容性和良好的电池低温充放电特性，钠离子电池中的电解液常采用pc基电解液；其中，pc基电解液中采用碳酸丙烯酯(pc)作为主要组分，碳酸丙烯酯的优点在于其可以在硬碳表面成膜且熔点低至-48.8℃；因此，pc基电解液电解液能够使钠离子电池具备更好的低温性能；但由于碳酸丙烯酯存在粘度高、无法浸润现有的商用隔膜，使得钠离子电池需要使用成本更高、结构复杂的玻璃纤维或隔膜涂层来改善浸润，造成电池成本较高，经济性差；同时，现有的碳酸酯基电解液的易燃特性，使得电池存在较大的安全隐患。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种钠离子电池电解液及钠离子电池，以解决现有钠离子电池的电解液存在的浸润性差、电极兼容性低、且存在较大的安全隐患等技术问题，以满足钠离子电池在宽温域下应用需求。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供了一种钠离子电池电解液，包括钠盐及电解液溶剂；其中，所述电解液溶剂包括磺酰胺类有机溶剂；

4、其中，所述磺酰胺类有机溶剂的分子通式为：

5、r1so2n(r2)(r3)(1)

6、其中，上式(1)中官能团r1为-(cf2)n-cf3，n＝0或1；官能团r2为-(ch2)xch3，x≥0；官能团r3为-(ch2)ych3，y≥0。

7、进一步的，所述磺酰胺类有机溶剂为cf3so2n(ch2ch3)(ch3)、cf3so2n(ch2ch3)2、cf3so2n(ch3)2和cf3cf2so2n(ch3)2中的一种。

8、进一步的，所述钠盐采用napf6、naclo4、nacf3so3、na(cf3so2)2n、na(fso2)2n、nabf4、nac2bf2o4、napf2o2及nac4bo8中的一种。

9、进一步的，所述电解液溶剂中所述磺酰胺类有机溶剂的质量百分数为0.1％～100％。

10、进一步的，所述电解液溶剂还包括常规溶剂；所述常规溶剂为环状碳酸酯、链状碳酸酯、醚类溶剂和其他脂类溶剂中的一种或多种；其中，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯及氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或多种；所述醚类溶剂为乙二醇二甲醚或1,3–二氧戊环；所述其他脂类溶剂包括丙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸甲酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯及2,2,2-三氟乙基磷酸酯中的一种或多种。

11、进一步的，所述电解液溶剂还包括常规溶剂；所述常规溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸甲乙酯和2,2,2-三氟乙基磷酸酯中的一种或多种。

12、进一步的，还包括添加剂；所述添加剂采用氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯和1-丙烯基-1,3-磺酸内酯中的一种。

13、本发明还提供了一种钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜及电解液；其中，所述电解液采用所述的钠离子电池电解液。

14、进一步的，所述正极片包括正极集流体及粘附于正极集流体上的正极活性材料；其中，所述正极活性材料采用钠层状过渡金属氧化物正极材料、聚阴离子类正极材料及普鲁士蓝类正极材料中的一种或多种；

15、所述负极片包括负极集流体及粘附于负极集流体上的负极活性材料；其中，所述负极活性材料采用硬碳、软碳、金属钠及钛酸钠中的一种或多种。

16、进一步的，所述隔膜为聚丙烯膜pp、聚乙烯模pe或pp/pe复合膜。

17、进一步的，在测试温度为-40℃～室温条件下，所述钠离子电池充电至4.5vvs.na/na+，所述钠离子电池放电至2.5vvs.na/na+。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、本发明提供了一种钠离子电池电解液及钠离子电池，采用磺酰胺类有机溶剂作为钠离子电池电解液的主要成分，磺酰胺类有机溶剂易在硬碳类负极表面形成稳定的保护膜，以使负极具有良好的循环性能；其次，由于磺酰胺类物质具有较宽的液程，钠离子电池电解液能够在低温下保持良好的流动性和离子电导率；同时，能够有效保证钠离子的去溶剂化速率，使得钠离子在低温或常温下均具有快速、可逆脱嵌的性能；通过调控磺酰胺类有机溶剂的分子结构，实现对分子极性的调控，从而获取性能更佳稳定的电解液；其次，电解液具有良好的抗氧化性，能够在电池正极表面氧化成膜，对电池正极材料具有良好的兼容性；另外，将钠盐溶解在电解液溶剂中后，仍能与商用隔膜保持良好的浸润性能，降低了电池的成本；此外，所述电解液溶剂均不易燃，其在受到热或强力冲击的环境下，钠盐离子能够与电解液溶剂发生缔合共结晶，使电解液由液态变为准固态，关闭正负极之间的离子通路，迅速阻止电池短路和热失控，有效提高了钠离子电池的安全性；而锂盐电解液由于溶剂化结构和离子-溶剂作用力与钠盐不同，不会发生该缔合共结晶现象，也不具有上述提高电池安全性的效果。

技术特征：

1.一种钠离子电池电解液，其特征在于，包括钠盐及电解液溶剂；其中，所述电解液溶剂包括磺酰胺类有机溶剂；

2.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，所述磺酰胺类有机溶剂为cf3so2n(ch2ch3)(ch3)、cf3so2n(ch2ch3)2、cf3so2n(ch3)2和cf3cf2so2n(ch3)2中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，所述钠盐采用napf6、naclo4、nacf3so3、na(cf3so2)2n、na(fso2)2n、nabf4、nac2bf2o4、napf2o2及nac4bo8中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，所述电解液溶剂中所述磺酰胺类有机溶剂的质量百分数为0.1％～100％。

5.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，所述电解液溶剂还包括常规溶剂；所述常规溶剂为环状碳酸酯、链状碳酸酯、醚类溶剂和其他酯类溶剂中的一种或多种；其中，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯及氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或多种；所述醚类溶剂为乙二醇二甲醚或1,3-二氧戊环；所述其他酯类溶剂包括丙酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸甲酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯及2,2,2-三氟乙基磷酸酯中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，所述电解液溶剂还包括常规溶剂；所述常规溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和2,2,2-三氟乙基磷酸酯中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种钠离子电池电解液，其特征在于，还包括添加剂；所述添加剂采用氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯和1-丙烯基-1,3-磺酸内酯中的一种。

8.一种钠离子电池，其特征在于，包括正极片、负极片、隔膜及电解液；其中，所述电解液采用如权利要求1-7任意一项所述的钠离子电池电解液。

9.根据权利要求8所述的一种钠离子电池，其特征在于，所述正极片包括正极集流体及粘附于正极集流体上的正极活性材料；其中，所述正极活性材料采用钠层状过渡金属氧化物正极材料、聚阴离子类正极材料及普鲁士蓝类正极材料中的一种或多种；

10.根据权利要求8所述的一种钠离子电池，其特征在于，所述隔膜为聚丙烯膜pp、聚乙烯膜pe或pp/pe复合膜。

11.根据权利要求8所述的一种钠离子电池，其特征在于，在测试温度为-40℃～室温条件下，所述钠离子电池充电至4.5vvs.na/na+，所述钠离子电池放电至2.5vvs.na/na+。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池电解液及钠离子电池，包括钠盐及电解液溶剂；其中，所述电解液溶剂包括磺酰胺类有机溶剂；其中，所述磺酰胺类有机溶剂的分子通式为：R<subgt;1</subgt;SO<subgt;2</subgt;N(R<subgt;2</subgt;)(R<subgt;3</subgt;)(1)；其中，上式(1)中官能团R<subgt;1</subgt;为‑(CF<subgt;2</subgt;)<subgt;n</subgt;‑CF<subgt;3</subgt;，n＝0或1；官能团R<subgt;2</subgt;为‑(CH<subgt;2</subgt;)<subgt;x</subgt;CH<subgt;3</subgt;，x≥0；官能团R<subgt;3</subgt;为‑(CH<subgt;2</subgt;)<subgt;y</subgt;CH<subgt;3</subgt;，y≥0；本发明采用磺酰胺类有机溶剂作为钠离子电池电解液的主要成分，具有液程宽、浸润性好、正负极兼容性好及较好的阻燃性能，满足钠离子电池在宽温域下的应用。

技术研发人员：薛伟江,崔新科
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12