有机醚类电解液及其在钠离子电池的应用

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明属于钠离子电池技术领域，涉及一种有机醚类电解液及其在钠离子电池的应用。背景技术：2.锂离子电池作为主流的储能电池体系，然而其在大规模应用于大型储能系统设备时需要大量的锂资源，但地壳上的锂元素资源非常有限。作为同主族且地壳中较为丰富的元素钠元素，钠离子电池具有和锂离子电池相似的电池储能机理，成为未来新电池体系的发展方向。3.钠离子电池中醚类电解液具有比酯类电解液更高的电解质盐溶解度，而高浓度的电解液质盐会降低电解液的副反应发生，还能产生更稳定的sei，提升电池的循环性能和可逆性提升。它具有更高的离子传导率，更利于载流子在电解液中的移动，提升电解液性能，并且具有更薄的固态电解质界面，这使得它拥有更高的首周库伦效率，从而实现能量的高效利用。并且醚类电解液可以使得石墨负极能够正常工作，而酯类钠离子电解液中石墨比容量较低。4.但是钠离子电池中醚类电解液存在很多问题，比如普遍充电电压低于3.5v，一旦高于这个电压醚类溶剂容易发生氧化反应，从而使得容量与循环性大幅度衰减，导致醚基钠离子电池的应用受到极大阻碍。文献1(yi q,lu y,sun x,et al.fluorinated ether based electrolyte enabling sodium-metal batteries with exceptional cycling stability[j].acs applied materials&interfaces,2019,11(50):46965-46972.)利用氟化醚来提升醚类电解液的氧化电压，但是其成本较高合成复杂。技术实现要素：[0005]本发明的目的在于提供一种有机醚类电解液及其在钠离子电池的应用。本发明通过在传统的醚类钠离子电池电解液的基础上添加一定量的nano3添加剂，以提高电解液氧化电压，同时提升钠离子电池在充放电过程中的库伦效率和循环稳定性。[0006]实现本发明目的的技术方案如下：[0007]有机醚类电解液，由电解质钠盐、有机醚溶剂以及nano3组成。[0008]优选地，所述的有机醚类电解液中，nano3的浓度为0.03～0.1m。[0009]优选地，所述的电解质钠盐为三氟甲基磺酸钠或高氯酸钠，浓度为0.5～1.5m。[0010]优选地，所述的有机醚溶剂为非水有机链状的醚类溶剂，选自二乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚。[0011]本发明还提供由上述有机醚类电解液组成的钠离子电池。[0012]本发明所述的钠离子电池包括钠离子半电池和钠离子全电池。[0013]本发明所述的钠离子半电池的组成为本领域常规的组成，包括钠离子电池正极、金属钠负极、电池隔膜以及上述有机醚类电解液。4v内循环曲线。[0033]图12为使用对比例4制得电解液组装的钠离子半电池在100mag-1电流密度下在2-4v内循环曲线。[0034]具体实施方法[0035]下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述。[0036]实施例1[0037]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0038]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，然后向其中加入nano3，nano3在电解液中的浓度为0.1m，搅拌混合溶解，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0039]对比例1[0040]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0041]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，不使用添加剂，搅拌混合，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0042]测试例1[0043]钠离子半电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以金属钠负极与镍锰酸钠正极组装电池，然后将实施例1制得的电解液和对比例1制得的电解液分别注入到电池中，进行封装，钠离子半电池的组装。[0044]本测试例为钠离子半电池的电化学测试，在科思特电化学工作站与新威电池测试系统上进行，测试温度保持25℃恒温。[0045]室温电化学线性扫描伏安测试：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在0.1mv s-1扫速下进行线性扫描伏安测试，结果如图1所示：在使用对比例1制得的电解液在0.1mv s-1扫速下，扫到3.5v时产生氧化电流，电解液发生剧烈氧化。相比之下，在使用实施例1制得的电解液在0.1mv s-1扫速下到4.6v才产生氧化电流，如图2所示，表明添加0.1m nano3对提升醚类电解液氧化电压有很好的效果。[0046]室温电化学循环性能测试：：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试。结果如图3所示：使用对比例1制得的电解液在100mag-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，29周循环后电池已经损坏，库伦效率较低，仅为80％。相比之下，使用实施例1制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，200周循环后，容量保持率为83％，且库伦效率为98％，如图4所示，表明添加0.1m nano3对提升醚基钠离子半电池库伦效率和循环性能有很好的效果。[0047]测试例2[0048]钠离子全电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以石墨负极与镍锰酸钠正极电极组装电池，然后将实施例1制得的电解液和对比例1制得的电解液分别注入到电池中，进行封装，钠离子全电池的组装。[0049]室温电化学循环性能测试：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在1.5-3.5v内进行恒电流充放电测试。结果如图5所示：在使用对比例1制得的电解液在100mag-1电流密度下在1.5-3.5v内进行恒电流充放电测试，容量较低。相比之下，在使用实施例1制得的电解液在100mag-1电流密度下在1.5-3.5v内进行恒电流充放电测试，可以在1.5-3.5v电压内正常充放电，且比容量为50mahg-1，如图6所示，表明添加0.1m nano3能使得醚基钠离子全电池正常工作。[0050]实施例2[0051]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0052]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于四乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，然后向其中加入nano3，nano3在电解液中的浓度为0.1m，搅拌混合溶解，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0053]对比例2[0054]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0055]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于四乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，不使用添加剂，搅拌混合，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0056]测试例3[0057]钠离子半电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以金属钠负极与镍锰酸钠正极组装电池，然后将实施例2制得的电解液和对比例2制得的电解液分别注入到电池中，进行封装，钠离子半电池的组装。[0058]本测试例为钠离子半电池的电化学测试，在科思特电化学工作站与新威电池测试系统上进行，测试温度保持25℃恒温。[0059]室温电化学循环性能测试：：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试。结果如图7所示：在使用对比例2制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，循环性能较差。相比之下，在使用实施例2制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，如图8所示，表明添加0.1m nano3对提升醚基础钠离子电池循环性能有很好的效果。[0060]实施例3[0061]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0062]在填充氩气的手套箱中，将高氯酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，高氯酸钠盐最终浓度为1.0m，然后向其中加入nano3，nano3在电解液中的浓度为0.1m，搅拌混合溶解，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0063]对比例3[0064]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0065]在填充氩气的手套箱中，将高氯酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，高氯酸钠盐最终浓度为1.0m，不使用添加剂，搅拌混合，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0066]测试例4[0067]钠离子半电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以金属钠负极与镍锰酸钠正极组装电池，然后将实施例3制得的电解液和对比例3制得的电解液分别注入到电池中，进行封装，钠离子半电池的组装。[0068]本测试例为钠离子半电池的电化学测试，在科思特电化学工作站与新威电池测试系统上进行，测试温度保持25℃恒温。[0069]室温电化学循环性能测试：：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试。结果如图9所示：在使用对比例3制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，库伦效率较差。相比之下，在使用实施例3制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，如图10所示，表明添加0.1m nano3对提升醚基础钠离子电池库伦效率有很好的效果。[0070]实施例4[0071]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0072]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，然后向其中加入nano3，nano3在电解液中的浓度为0.03m，搅拌混合溶解，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0073]测试例3[0074]钠离子半电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以金属钠负极与镍锰酸钠正极组装电池，然后将实施例4制得的电解液和对比例1制得的电解液分别注入到电池中，进行封装，钠离子半电池的组装。[0075]本测试例为钠离子半电池的电化学测试，在科思特电化学工作站与新威电池测试系统上进行，测试温度保持25℃恒温。[0076]室温电化学循环性能测试：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试。结果如图7所示：在使用对比例1制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，循环性能较差。相比之下，在使用实施例4制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，如图11所示，表明添加0.03m nano3对提升醚基础钠离子电池循环性能有很好的效果。[0077]对比例4[0078]有机醚类电解液，具体制备方法如下：[0079]在填充氩气的手套箱中，将三氟甲基磺酸钠溶解于二乙二醇二甲醚电解液中，三氟甲基磺酸钠盐最终浓度为1.0m，然后向其中加入nano3，nano3在电解液中的浓度为0.01m，搅拌混合溶解，配制中所用的试剂均在手套箱中干燥12h以上，配制得电解液。[0080]测试例4[0081]钠离子半电池的组装：电池的组装需要在充满氩气保护气氛的手套箱中进行，以金属钠负极与镍锰酸钠正极组装电池，然后将对比例4制得的电解液注入到电池中，进行封装，钠离子半电池的组装。[0082]本测试例为钠离子半电池的电化学测试，在科思特电化学工作站与新威电池测试系统上进行，测试温度保持25℃恒温。[0083]室温电化学循环性能测试：：在室温下(25℃)，经上述静置12h后的电池在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试。结果如图12所示：在使用对比例4制得的电解液在100ma g-1电流密度下在2-4v内进行恒电流充放电测试，循环性能较差。









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