新型含磷锂离子电池阻燃添加剂的设计、合成与应用

具有自主知识产权的锂离子电池阻燃剂少有报导，研究新型有机磷锂离子电池阻燃剂是一项具有重要科学意义及应用前景的课题。本项目以含不饱和键的磷酸酯为研究基础，合成一系列具有新颖结构的有机磷化合物并探索它们的阻燃功能及电化学性能。研究内容包括制备炔基磷酸酯、烯基磷酸酯、环状磷酸酯、高含磷化合物；建立能够合成这些人工设计分子的有效经济途径；探索有机磷化合物的结构和阻燃性能的关系；运用多种技术对特种有机磷分子进行综合评价，通过波谱来建立一个快速的含磷锂离子电池阻燃剂的筛选方法；通过分析实验及理论数据，总结分析这些磷化合物的阻燃及电化学规律，为最终建立以含不饱和键的磷酸酯和高含磷化合物为结构单元的锂离子电池阻燃剂提供理论和实验基础。

锂离子电池的安全问题始终是限制其在电动车及大型储能设备中应用的重大阻碍。由于目前商业化的电解液主要采用高度可燃的有机碳酸酯作为溶剂，阻燃添加剂是目前提高电解液安全性能最为经济有效的方法。本项目中，我们设计并合成了包括高含磷化合物、烷基膦酸酯、芳基膦酸酯、炔基膦酸酯、烯基膦酸酯、环状膦酸酯、杂环膦酸酯、羰基膦酸酯、含氟膦酸酯、含氮膦酸酯等相关化合物，探索这些新型膦酸酯的简洁合成路线，然后进行电解液的稳定性和溶解性实验，初步筛选化合物，通过燃性能和电化学性能测试，从中筛选出具有潜力的电解液添加剂。在此项研究中，我们发现磷、氮、双键协同的化合物具有较好的阻燃效果，其中不饱和双键的位置对于添加剂的性能有重要影响。最后我们对丙烯基膦酸二甲酯（DMAP）和丙烯基膦酸二乙酯（DEAP）的性能做了具体研究，得出电解液含有5% 的添加剂时具有良好的阻燃性能、电导率性能，以及与Li/FePO4的兼容性能。含有双键的新型磷酰胺双功能添加剂，N,N-二烯丙基-二乙氧基磷酰胺酰胺（DADEPA），该添加剂能够明显改善电解液的阻燃性能、电导率性能、热性能，并且适量DADEPA的存在能够提高Li/LiFePO4电池在大倍率条件下的电池容量，在Li/石墨电池中也表现出了优异的性能。