本發(fā)明涉及鈉離子電池電解液，尤其是一種長壽命鈉離子電池用電解液及其制備方法和應用。

背景技術：

1、隨著全球能源需求的增長和環(huán)境問題的日益嚴峻，發(fā)展可再生能源和提高能源利用效率已成為世界各國關注的焦點。鋰離子電池作為高能量密度儲能器件，已廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、電動汽車和電網(wǎng)儲能等領域。然而，鋰資源的稀缺性及其開采和加工對環(huán)境的負面影響，促使科學界和工業(yè)界尋求更為環(huán)保且成本更低的替代儲能技術。在此背景下，鈉離子電池因其資源豐富、成本低廉、工作原理類似于鋰離子電池，被認為是下一代儲能技術的有力競爭者。

2、然而，盡管鈉離子電池在資源和成本方面具有顯著優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是其循環(huán)壽命和容量保持率有待進一步提高。相比鋰離子電池，鈉離子電池的循環(huán)性能較差，主要原因包括：鈉離子的半徑較大、電解液的穩(wěn)定性不足以及界面問題。

3、公開號為cn116344933a的專利申請公開了一種鈉離子電池電解液和鈉離子電池，所述鈉離子電池電解液包括非水有機溶劑、鈉鹽和添加劑，所述添加劑包括硝酸鹽和硫酸乙烯酯，其中，所述硝酸鹽在所述鈉離子電池電解液中的質量百分含量為0.01%至1%，所述硫酸乙烯酯在所述鈉離子電池電解液中的質量百分含量為0.1%至2%。

4、公開號為cn115275206a的專利申請公開了一種鈉離子電池負極電極及鈉離子電池，該發(fā)明的鈉離子電池負極電極，包括負極集流體和涂覆在負極集流體上的負極活性物質層，負極活性物質層包括鈉離子電池負極主材料、導電劑、粘合劑、弱堿性堿金屬鹽；鈉離子電池負極主材料、導電劑、粘合劑、弱堿性堿金屬鹽的質量比為90~98∶1~9∶1~9∶0.5~2。

5、盡管這些方法在一定程度上改善了鈉離子電池的循環(huán)性能，但要實現(xiàn)商業(yè)化應用仍面臨諸多困難。其中，電解液作為鈉離子電池的重要組成部分，其配方設計直接影響著電池的循環(huán)壽命、能量密度和安全性。因此，開發(fā)一種性能優(yōu)異的鈉離子電池電解液，具有重要的科研價值和應用前景。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于此，本申請?zhí)峁┝艘环N長壽命鈉離子電池用電解液及其制備方法和應用，通過優(yōu)化溶劑體系和引入功能性添加劑，顯著提高了鈉離子電池的循環(huán)性能，延長了電池的使用壽命，為鈉離子電池的實際應用提供了有力支持。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、本發(fā)明提供了一種長壽命鈉離子電池用電解液，包括鈉鹽、有機溶劑，還包括功能添加劑，所述功能添加劑含有哌啶基、亞磷酸基四氟硼酸離子液，由三氯亞磷分別與4-羥基-2-哌啶甲酸、1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽進行酯化反應得到。

4、優(yōu)選的，所述功能添加劑的制備方法如下：按重量份計，將18-36份三氯亞磷、100-150份甲苯、0.2-2份四丁基溴化銨、14-28份4-羥基-2-哌啶甲酸和0.05-0.42份1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽混合，通入惰性氣體，70-120℃攪拌反應150-180分鐘，蒸餾除去甲苯，得到含哌啶基、亞磷酸基四氟硼酸離子液的功能添加劑。

5、所述功能添加劑制備機理：

6、三氯亞磷分別與4-羥基-2-哌啶甲酸、1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽進行酯化反應，得到所述含哌啶基，亞磷酸基四氟硼酸離子液的穩(wěn)定添加劑。這種反應主要通過酯化反應進行。具體機理是三氯亞磷與4-羥基-2-哌啶甲酸和1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽中的羥基反應，形成磷酸酯鍵。在這個過程中，三氯亞磷的氯原子被羥基所替代，形成亞磷酸基團。隨后，四氟硼酸鹽作為離子液體的一部分，通過離子交換或相互作用，穩(wěn)定了整個結構。這種結構在鈉離子電池中提供了較好的熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。

7、在本發(fā)明的一些實施方案中，按重量份計，所述長壽命鈉離子電池用電解液包含10-20份鈉鹽、70-90份有機溶劑和0.1-5份功能添加劑。

8、在本發(fā)明的一些實施方案中，所述鈉鹽選自六氟磷酸鈉（napf6）、三氟甲磺酸鈉(nacf3so3)、雙草酸硼酸鈉（nabob）、四氟硼酸鈉（nabf4）、雙（氟磺酰）亞胺鈉（nafsi）、雙三氟甲烷磺酰亞胺鈉（natfsi）中的至少一種。

9、優(yōu)選的，所述鈉鹽的濃度為0.6-1.2?mol/l。

10、在本發(fā)明的一些實施方案中，所述有機溶劑為碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯中的至少一種。

11、優(yōu)選的，所述有機溶劑為碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯，

12、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯質量百分比為(30-35)?%∶(25-30)?%∶(35-40)?%。

13、本發(fā)明還提供了所述長壽命鈉離子電池用電解液的制備方法，包括以下步驟：

14、（1）在氬氣填充的手套箱中，稱取有機溶劑，攪拌得到混合溶液1，經(jīng)分子篩處理，控制混合溶液1水含量不高于1ppm；

15、（2）將鈉鹽溶解在步驟（1）混合溶液1中，得到混合溶液2；

16、（3）將功能添加劑溶解在步驟（2）的混合溶液2中，在室溫下攪拌均勻后得到所述長壽命鈉離子電池用電解液。

17、本發(fā)明還提供了一種長壽命鈉離子電池，包括正極材料、電解液、隔膜和負極材料，所述電解液為所述長壽命鈉離子電池用電解液。

18、在本發(fā)明的一些實施方案中，所述正極材料為金屬鈉片，所述負極材料為硬碳，所述隔膜為聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯和聚乙烯的復合隔膜、al2o3涂層隔膜、玻璃纖維隔膜、聚四氟乙烯隔膜、纖維素隔膜以及芳綸隔膜的至少一種。

19、本發(fā)明的有益效果：

20、本發(fā)明中通過哌啶基與亞磷酸基四氟硼酸離子液的加入，顯著提升了鈉離子電解液的性能。首先，這些添加劑提高了電解液的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，這在電池長時間運行過程中尤為重要，可以有效地防止電解液在高溫或極端操作條件下的分解。其次，由于離子液體本身具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性，它們的存在增強了電解液的電化學窗口，即電解液可以承受更廣泛的電壓范圍而不發(fā)生電化學反應。這對于提高電池的能量密度和功率輸出是非常有利的。最后，離子液體的引入還可以增加電解液的離子導電性，減少電池內部阻抗，從而提高了電池的充放電效率和循環(huán)壽命。

技術特征：

1.一種長壽命鈉離子電池用電解液，包括鈉鹽、有機溶劑，其特征在于，還包括功能添加劑，所述功能添加劑含有哌啶基、亞磷酸基四氟硼酸離子液，由三氯亞磷分別與4-羥基-2-哌啶甲酸、1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽進行酯化反應得到。

2.根據(jù)權利要求1所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，按重量份計，將18-36份三氯亞磷、100-150份甲苯、0.2-2份四丁基溴化銨、14-28份4-羥基-2-哌啶甲酸和0.05-0.42份1-羥乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽混合，通入惰性氣體，70-120℃攪拌反應150-180分鐘，蒸餾除去甲苯，得到含哌啶基、亞磷酸基四氟硼酸離子液的功能添加劑。

3.根據(jù)權利要求1所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，按重量份計，所述長壽命鈉離子電池用電解液包含10-20份鈉鹽、70-90份有機溶劑和0.1-5份功能添加劑。

4.根據(jù)權利要求1所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，所述鈉鹽選自六氟磷酸鈉、三氟甲磺酸鈉、雙草酸硼酸鈉、四氟硼酸鈉、雙（氟磺酰）亞胺鈉、雙三氟甲烷磺酰亞胺鈉中的至少一種。

5.根據(jù)權利要求4所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，所述鈉鹽的濃度為0.6-1.2?mol/l。

6.根據(jù)權利要求1所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，所述有機溶劑為碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯中的至少一種。

7.根據(jù)權利要求6所述長壽命鈉離子電池用電解液，其特征在于，所述有機溶劑為碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯，

8.根據(jù)權利要求1-7任一項所述長壽命鈉離子電池用電解液的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.一種長壽命鈉離子電池，包括正極材料、電解液、隔膜和負極材料，其特征在于，所述電解液為權利要求1-7任一項所述長壽命鈉離子電池用電解液。

10.根據(jù)權利要求9所述的長壽命鈉離子電池，其特征在于，所述正極材料為金屬鈉片，

技術總結
本發(fā)明公開了一種長壽命鈉離子電池用電解液及其制備方法和應用，涉及鈉離子電池電解液技術領域。本發(fā)明中通過哌啶基與亞磷酸基四氟硼酸離子液的加入，顯著提升了鈉離子電解液的性能。首先，這些添加劑提高了電解液的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，這在電池長時間運行過程中尤為重要，可以有效地防止電解液在高溫或極端操作條件下的分解。其次，由于離子液體本身具有優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性，它們的存在增強了電解液的電化學窗口，即電解液可以承受更廣泛的電壓范圍而不發(fā)生電化學反應。這對于提高電池的能量密度和功率輸出是非常有利的。最后，離子液體的引入還可以增加電解液的離子導電性，減少電池內部阻抗，從而提高了電池的充放電效率和循環(huán)壽命。

技術研發(fā)人員：毛奧杰,毛楊楊,何廣,殷哲一,高榮華,姚秋實,鄔財浩,王金明,王樹強,俞石洪,宋文龍
受保護的技術使用者：天能電池集團股份有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6