一种吡唑基低共熔电解液及其制备方法和应用

本发明属于锂电池电解液，更具体的说是涉及一种吡唑基低共熔电解液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、金属锂具有3860mah g-1的高理论比容量和-3.04v的电势(vs.rhe)，这赋予了作为电池负极材料的巨大优势。近几十年来，锂离子电池占据了绝大部分的能源市场，例如：智能电子设备、可穿戴设备、电动汽车等。然而，有限的锂金属自然资源和过度消耗、以及有机电解液的易燃特性严重制约了锂电池的商业应用。电解液在电极之间传导离子方面发挥着重要作用，受到了极大的关注。在传统电解液中，碳酸盐中羰基(c＝o)的高反应性导致溶剂分子的分解，从而形成溶剂诱导的固体电解质界面(sei)。然而，这种sei层在电池循环过程中容易分解和溶解，导致失去对锂金属的保护，电池性能较差。

2、为了获得性能先进的电池，更多的努力集中在电解质的改性上。目前开发的氟化醚电解质可以形成具有良好电化学稳定性的稳定sei层，从而提供高电压。高浓度电解质可以有效地扩大电解质窗口，提高电池的循环稳定性，并在一定程度上为提高锂电池的能量密度。除此之外，有机/无机添加剂、凝胶电解质和固态电解质也被开发。然而，制备简单、成本低、安全性高、环境友好的电解液体系仍旧缺乏。因此，寻找一种简单方法可以同时解决锂金属资源问题以及有机电极液的易燃问题，提升锂电池的电化学性能，对于促进其商业化应用具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种吡唑基低共熔电解液及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种吡唑基低共熔电解液(dee)，原料包括吡唑(py)和锂盐。

4、进一步的，所述吡唑基低共熔电解液由吡唑和锂盐组成。

5、进一步的，所述吡唑与锂盐的摩尔比为4:1。

6、进一步的，所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂(litfsi)。

7、进一步的，所述吡唑的结构为

8、当吡唑环上碳原子有取代基时，其沸点和熔点升高，会影响与litfsi反应生成低共熔电解液；当氮原子上有取代基时，其化合物的沸点和熔点虽然降低，但会影响li··n相互作用，从而导致低共熔电解液制备的失败。

9、本发明技术方案之二：提供一种上述吡唑基低共熔电解液的制备方法，步骤包括：

10、将吡唑和锂盐混合后进行搅拌即得所述吡唑基低共熔电解液。

11、进一步的，所述搅拌为在室温下进行，时间为5min。

12、本发明限定的搅拌时间是为了确保两者的反应完全，形成液体状态，当两者形成液体状态即完成搅拌工序。

13、进一步的，所述吡唑基低共熔电解液的制备过程在惰性气氛保护下进行。

14、本发明技术方案之三：提供一种上述吡唑基低共熔电解液在全电池中的应用。

15、本发明技术方案之四：提供一种全电池，包括正极、负极、隔膜和上述吡唑基低共熔电解液。

16、进一步的，所述正极包括集流体和负载在集流体上的正极材料。

17、优选的，所述正极材料包括钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种，负载量为2.2～3.1mg cm-2。

18、优选的，所述集流体为铝箔，直径为11～13mm。

19、更优选的，所述正极由磷酸铁锂负载在铝箔上制备得到。

20、进一步的，所述负极包括集流体和负载在集流体上的负极材料。

21、优选的，所述负极材料包括钛酸锂、石墨、硬碳、软碳和锂金属合金中的至少一种，负载量为2.2～3.1mg cm-2。

22、优选的，所述集流体为铝箔，直径为11～13mm。

23、优选的，所述负极由钛酸锂负载在铝箔上制备得到。

24、进一步的，所述隔膜为celgard-2500，隔膜的直径为18～20mm。

25、进一步的，全电池中将所述吡唑基低共熔电解液滴加在隔膜两侧与正极和负极接触。

26、将吡唑基低共熔电解液滴加在隔膜两侧与正负极接触，在电池循环中原位发生作用传导锂离子。

27、本发明中将吡唑基低共熔电解液用于全电池，将py和litfsi以摩尔比4:1利用li··n相互作用制备而成低共熔电解液pyl-4:1。这种深共晶现象是由li+和n原子之间的离子-偶极相互作用引发，表现出优异的电化学性能，在80℃时，pyl-4-1提供了0.67的高锂离子迁移数和5.8×10-3s cm-1的电导率。pyl-4:1优异的电化学性能、低成本和不易燃特性为实现优异的电池性能提供了更多可能性。重要的是，利用pyl-4:1，全电池lto/lfp可以表现出147mah g-1的初始比容量和200圈的稳定循环性能，在室温下库仑效率超过98％。

28、本发明公开了以下技术效果：

29、本发明提供的吡唑基低共熔电解液，制备方法简便、成本低、时间短。以py和litfsi为原料，按照摩尔比4:1混合，在室温下搅拌5min即可制备而成pyl-4:1。pyl-4:1具有宽的电化学窗口在1.5-3.7v，且提供了高的锂离子迁移数和电导率，为锂离子的传导提供良好条件，促进锂离子电池的动力学过程，从而改善电池的循环性能。吡唑基低共熔电解液具有不可燃性、高电导率和宽的电压窗口，在以磷酸铁锂和钛酸锂为正极和负极组成的无金属锂全电池中，利用该电解液可以得到稳定的循环性能，进一步降低了锂金属资源的消耗，提高了锂电池的安全性。

30、将pyl-4:1进一步应用于全电池中，吡唑基低共熔电解液能在电池循环过程中进行锂离子的传输；该全锂电池(lto/lfp)在0.2c倍率下具有高的放电比容量147mah g-1和200圈的稳定循环，重要的是无金属锂负极的使用，解决了锂金属的资源限制和不稳定的缺点，具有商业化应用潜能。

技术特征：

1.一种吡唑基低共熔电解液，其特征在于，原料包括吡唑和锂盐；

2.根据权利要求1所述的吡唑基低共熔电解液，其特征在于，所述吡唑基低共熔电解液由吡唑和锂盐组成。

3.一种如权利要求1或2所述的吡唑基低共熔电解液的制备方法，其特征在于，步骤包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌为在室温下进行，时间为5min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述吡唑基低共熔电解液的制备过程在惰性气氛保护下进行。

6.一种如权利要求1或2所述的吡唑基低共熔电解液在全电池中的应用。

7.一种全电池，其特征在于，包括正极、负极、隔膜和权利要求1或2所述的吡唑基低共熔电解液。

8.根据权利要求7所述的全电池，其特征在于，将所述吡唑基低共熔电解液滴加在隔膜两侧与正极和负极接触。

9.根据权利要求7所述的全电池，其特征在于，所述正极包括集流体和负载在集流体上的正极材料；所述负极包括集流体和负载在集流体上的负极材料；所述隔膜为celgard-2500，直径为18～20mm。

10.根据权利要求9所述的全电池，其特征在于，所述正极和负极的集流体为铝箔，直径为11～13mm；所述正极材料包括钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂中的至少一种，负载量为2.2～3.1mg cm-2；所述负极材料包括钛酸锂、石墨、硬碳、软碳和锂金属合金中的至少一种，负载量为2.2～3.1mg cm-2。

技术总结
本发明属于锂电池电解液技术领域，更具体的说是涉及一种吡唑基低共熔电解液及其制备方法和应用。本发明提供的吡唑基低共熔电解液，以Py和LiTFSI为原料，按照摩尔比4:1混合，在室温下搅拌5min即可制备而成PyL‑4:1。PyL‑4:1具有宽的电化学窗口，且提供了高的锂离子迁移数和电导率，为锂离子的传导提供良好条件，促进锂离子电池的动力学过程，从而改善电池的循环性能。吡唑基低共熔电解液具有不可燃性、高电导率和宽的电压窗口，在以磷酸铁锂和钛酸锂为正极和负极组成的无金属锂全电池中，利用该电解液可以得到稳定的循环性能，进一步降低了锂金属资源的消耗，提高了锂电池的安全性。

技术研发人员：刘瑞兰,王丹阳,田丰收
受保护的技术使用者：周口师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25