硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法及应用与流程

本发明涉及电池电解液添加剂，具体为硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法及应用。

背景技术：

1、锂离子电池是上个世纪九十年代发展起来的新一代绿色环保电池，被广泛应用于新能源电动汽车、3c电子产品、便携式电子设备、电动工具、储能、军工、航空航天等多个领域。随着锂离子电池的应用范围不断扩展和应用要求不断提高，人们对锂电池的性能也相应的提出了更多方面、更高的要求。

2、硅酸酯类物质已被广泛作为锂电池电解液添加剂使用，如文献号为202210788331.0的中国发明专利申请《一种室外低温用锂离子电池》中公开了在电解液中引入添加剂正硅酸乙酯和对羟基苯甲醚，在低温时可以起到稀释电解液的作用，在较高温时可以避免电解液中部分组分液化现象，同时正硅酸乙酯还可以避免含氟锂盐产生hf对电池性能的影响。可见，硅酸酯类电解液添加剂可以改善锂电池的低温、高温性能，但是为了提高锂电池的综合性能，往往还需要添加其他种类的电解液添加剂。

3、为了减少所用电解液添加剂的种类，可以对作为电解液添加剂的硅酸酯类物质进行改进，以丰富其作为电解液添加剂的效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种含有氰基的硅酸酯类物质的制备方法，即硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，并将该物质作为锂电池电解液添加剂使用，以减少所用电解液添加剂种类并能够综合提升锂电池性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，关键在于，以原硅酸甲酯和3-羟基丙腈为起始物料，在加热条件下进行反应，反应过程中监测体系中3-羟基丙腈的残余含量，当3-羟基丙腈的质量小于0.5％时，终止反应，对产物进行精馏得到产品硅酸三甲基丙腈基酯，产品结构式为：

3、

4、上述反应的合成路线为：

5、

6、具体的，上述3-羟基丙腈和原硅酸甲酯使用量的质量摩尔比为1:1.5～1.6。

7、更具体的，上述加热条件为温度为108℃～112℃。

8、更详细的，上述硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法具体操作为：在四口反应瓶中，投入原硅酸甲酯和3-羟基丙腈，加热升温，烧瓶内有回流，在冷凝器上加干燥管，反应后体系有甲醇气体生成，控制反应时间，并对体系进行监测，当3-羟基丙腈的质量小于0.5％时，停止反应，对体系进行降温，使用填料柱进行减压精馏，留取120℃下的馏分，获得产品硅酸三甲基丙腈基酯。

9、进一步的，在反应进行6h时，使用高效气相仪对体系中3-羟基丙腈的质量进行测定。

10、硅酸三甲基丙腈基酯在电池电解液添加剂中的应用，硅酸三甲基丙腈基酯是由上述方法制备的，关键在于，作为锂电池电解液添加剂使用，添加量为0.5％～3％。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、本发明通过酯交换反应，将氰基引入原硅酸甲酯结构中，制备得到硅酸三甲基丙腈基酯，本发明的合成路线非常简单，反应条件温和，在反应过程中不需要引发剂或者酸、碱催化剂，在适合的反应温度下利用原硅酸甲酯产生的游离酸即可完成反应；

13、本发明的制备过程不需要额外的有机溶剂，在两种起始物料自然形成的体系中即可完成，因而反应过程不会产生大量的废弃溶剂，所产生的副产物为甲醇气体，降低了工业“三废”的回收利用难度和成本，对环境更为友好；

14、本发明的制备过程的技术难度在于对反应进度的控制，本合成路线易发生同时也极易产生多种杂质，给后续精馏带来困难，导致产品纯度不高，本发明通过对起始物料的比例和反应温度的优化，并通过过程监测对反应终点进行控制，将硅酸三甲基丙腈基酯的收率提高至92％以上，经简单的精馏操作后得到的产品纯度可以达到99.7％以上。

15、本发明制备的硅酸三甲基丙腈基酯作为电解液添加剂应用，不仅可以提高电池的低温、高温性能，还能够改善电池的耐高压性能。

16、此外，本发明还发现在应用过程中，硅酸三甲基丙腈基酯作为电解液添加剂可以改善电池的电循环性能，特别是高压下的电循环性能，可以延长电池使用寿命，使电池更适合不同要求的应用环境。

技术特征：

1.硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，其特征在于，以原硅酸甲酯和3-羟基丙腈为起始物料，在加热条件下进行反应，反应过程中监测体系中3-羟基丙腈的残余含量，当3-羟基丙腈的质量小于0.5％时，终止反应，对产物进行精馏得到产品硅酸三甲基丙腈基酯，产品结构式为：

2.根据权利要求1所述的硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，其特征在于，所述3-羟基丙腈和原硅酸甲酯使用量的质量摩尔比为1:1.5～1.6。

3.根据权利要求1所述的硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，其特征在于，所述的加热条件为温度为108℃～112℃。

4.根据权利要求1所述的硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，其特征在于，具体操作为：在四口反应瓶中，投入原硅酸甲酯和3-羟基丙腈，加热升温，烧瓶内有回流，在冷凝器上加干燥管，反应后体系有甲醇气体生成，控制反应时间，并对体系进行监测，当3-羟基丙腈的质量小于0.5％时，停止反应，对体系进行降温，使用填料柱进行减压精馏，留取120℃下的馏分，获得产品硅酸三甲基丙腈基酯。

5.根据权利要求4所述的硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法，其特征在于，在反应进行6h时，使用高效气相仪对体系中3-羟基丙腈的质量进行测定。

6.硅酸三甲基丙腈基酯在电池电解液添加剂中的应用，硅酸三甲基丙腈基酯是权利要求1-5任意一项制备的，其特征在于，作为锂电池电解液添加剂使用，添加量为0.5％～3％。

技术总结
本发明公开了硅酸三甲基丙腈基酯的制备方法及应用，以原硅酸甲酯和3‑羟基丙腈为起始物料，在加热条件下进行反应，当3‑羟基丙腈的质量小于0.5％时，终止反应，对产物进行精馏得到产品硅酸三甲基丙腈基酯，本发明提高了硅酸三甲基丙腈基酯的收率和纯度，并将硅酸三甲基丙腈基酯作为锂电池电解液添加剂使用，不仅可以提高电池的低温、高温环境下的性能，还能进一步提升电池在高温环境下的安全性和电池在高压下的电循环性能，减少电解液添加剂的种类和用量。

技术研发人员：郝立根,许峰,于江帅,邸胜
受保护的技术使用者：河北圣泰材料股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25