CN100463287C - 高倍率锂离子电池用电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高倍率锂离子电池用电解液，是一种锂电池用的高倍率放电的电解液。它公开了该电解液含有碳酸酯溶剂主要成分包括碳酸乙烯酯10～30%，碳酸丙烯酯4～20%，碳酸二甲酯35～50%，碳酸甲乙酯10～20%的混合液，锂盐12.5～16.0%，以及主要成分包括小分子胺类，B(OR)3，其中R为碳原子数少于4的烷基，或者是冠醚的一种或几种的功能添加剂0.1～5.0%。本发明选择适当的溶剂组成和功能添加剂，提高锂盐在溶液中的解离度和锂离子的迁移率，使电解液在负极表面形成稳定性和离子导电性良好的钝化保护膜，从而提高锂离子电池的倍率放电特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池用的电解液，具体地说是一种锂电池用的高倍率放电的电解液。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、与环境友好以及无记忆效应等特点，得到了迅速的发展，广泛应用于便携式电器上。锂离子电池的正极是可以脱嵌锂离子的过渡金属化合物，负极是可脱嵌锂离子的碳材料。锂离子在电池充电时从正极脱出经过正极与电解液的界面、电解液、负极表面的SEI膜，再扩散到负极本体中；放电时锂离子从负极脱出，按原路返回到正极本体。从锂离子电池的工作原理可以知道，锂离子电池的功率决定于锂离子在电极本体内、电极与电解液的界面及电解液中的迁移速率。电极与电解液的界面(即电极表面的SEI)是电解液在电极表面氧化还原的产物组成的，因此锂离子电池的功率在很大程度上受制于电解液的性能。
由于工作电压高，锂离子电池使用电解液的是有机碳酸酯的锂盐溶液，相对于水溶液，有机溶液的电导率很低，现有的电解液的电导率为10mS/cm，而锂离子对电导率的贡献比较低(60～70％)，因此锂离子电池的功率比较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高倍率锂离子电池用电解液，它通过选择碳酸酯溶剂加入的量，以及功能添加剂，从而提高锂离子在电解液和电极界面的迁移速率，从而提高锂离子电池的倍率放电特性。
本发明的技术解决方案是电解液由以下各物质组成，物质含量以占总液重的w/w表示：
A、碳酸酯溶剂主要成分包括碳酸乙烯酯10～30％，碳酸丙烯酯4～20％，碳酸二甲酯35～50％，碳酸甲乙酯10～20％的混合液；
B、含有锂盐12.5～16.0％；
C、功能添加剂主要成分包括小分子胺类，B(OR)3，其中R为碳原子数少于4的烷基，或者是冠醚的一种或几种，占总液重的0.1～5.0％。
以上本发明所述的碳酸酯溶剂包括碳酸二乙酯0～10％，碳酸甲丙酯0～10％，或者是碳酸甲异丙酯0～10％。
本发明所述的锂盐选自LiPF6，LiAsF6，LiBOB，LiSO3CF3，LiBF4，Li(CF3SO2)2N，LiC(CF3SO2)3的一种或者多种，加入量为13.0～15.0％。
以上本发明的小分子胺类选自液氨，甲胺，乙胺，乙酰胺，或者是甲酰胺，加入量为0.5～2％。
以上所述的本发明的B(OR)3，其中R为碳原子数少于4的烷基，加入量为0.5～2％。
本发明所述的冠醚选自12冠醚4，15冠醚5，或者是18冠醚6，加入量为0.5～2％。
以上本发明的功能添加剂包括不饱和碳酸酯，卤代碳酸酯，环状硫酸酯，磺酸酯，不饱和砜，或者是二氧化物，加入量为0～5％。
以上本发明所述的功能添加剂包括碳酸氯乙烯酯、碳酸氯丙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、磺酸丙内酯、磺酸丁内酯、硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、二苯砜、乙烯基砜、苯基乙烯基砜、二氧化碳、或者是二氧化硫，加入量为1～4％。
本发明的高倍率锂离子电池用电解液所采用选择性的碳酸酯溶剂加入的量，锂盐是现在锂离子电解液中所普遍使用的成分，为使其有机溶液锂离子电导率的提高，因此锂离子电池用电解液均加以功能添加剂来提高锂离子电池的功率。现市场出现的电导率均在10mS/cm左右，锂离子对电导率的贡献比较低(<70％)，电池的倍率特性较差。所以本发明目的重要部分是在碳酸酯溶剂及其量的选择，以及采用新型的添加剂，提高锂离子对电导率的贡献率(>80％)和锂离子在电解液及SEI膜中迁移速率，电解液的电导率达到11～13mS/cm，大幅度提高了锂离子电池的功率，取得了良好的效果。
本发明的优点是选择适当的溶剂组成和功能添加剂，提高锂盐在溶液中的解离度和锂离子的迁移率，使电解液在负极表面形成稳定性和离子导电性良好的钝化保护膜，从而提高锂离子电池的倍率放电特性。
附图说明
图1是本发明的实施例1～4的电池10C放电性能放电对比图线；
图2是本发明的实施例5～8的电池10C放电性能放电对比图线；
图3是本发明的实施例9～13以及对比例的电池10C放电性能放电对比图线。
具体实施例
实施例1
在常温常压水分1ppm，以及惰性气体的环境下，将纯度均在99.95％以上的溶剂，碳酸乙烯酯22.6％，碳酸丙烯酯5.7％，碳酸二甲酯39.3％，碳酸甲乙酯16.6％混合均匀，在该混合溶剂中溶解13.3％的锂盐LiPF6，平均分三次加入，每次加入的时间间隔1.5～2.0小时，加入后充分摇匀，最后加入1.5％功能添加剂的碳酸亚乙烯酯和1.0％乙酰胺。
电解液填充进电池内进行放电特性检测，所使用的电池为：
正极：活性物质LiCoO2的含量94％、炭黑3.0％，粘结剂PVDF3.0％，铝箔为集流体。极片宽度5.0cm，厚度147μm。
负极：活性物质MCMB的含量90.0％，粘结剂PVDF的含量10.0％，铜箔为集流体，极片宽5.2cm，厚度178μm。
隔膜为PE/PP/PE三层聚合物膜。
制备电池的型号为方形063048，设计电池的容量为850mAh。
检测方法：
用库仑卡氏法测定电解液中的水分，酸碱滴定测试电解液中的酸度，用DJS-307型电导率仪测定电解液的电导率。
电解液制备电池后电池的倍率放电特性检测方法：
1、以1C电流恒压充电至4.2V，截止电流为20mA；
2、静置10分钟，使用二次电池性能检测柜检测电池容量；
3、以5C电流放电至3.0V；
4、静置10分钟，使用二次电池性能检测柜检测电池容量；
5、以10C电流放电至3.0V；
6、静置10分钟，使用二次电池性能检测柜检测电池容量。
电池循环放电检测方法：循环使用电池倍率放电特性检测方法第1到第6步。
实施例2
同实施例1，只是锂盐LiPF6换成LiAsF6，功能添加剂乙酰胺换成冠醚的12冠醚4，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例3
同实施例1，只是锂盐LiPF6换成10.0％LiAsF6和3.3％LiBOB，功能添加剂碳酸亚乙烯酯换成二氧化碳，功能添加剂乙酰胺换成液氨，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例4
同实施例1，只是锂盐LiPF6换成10.0％LiPF6和3.3％LiBOB，功能添加剂碳酸亚乙烯酯换成二氧化硫，乙酰胺换成0.1％甲氨，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例5
同实施例1，只是锂盐LiPF6换成10.0％LiC(CF3SO2)3和3.3％LiSO3CF3，功能添加剂碳酸亚乙烯酯换成二氧化硫，功能添加剂乙酰胺换成2.5％15冠醚5，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例6
同实施例1，只是功能添加剂乙酰胺换成2.0％18冠醚6和3.0％甲酰胺，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例7
同实施例1，只是功能添加剂乙酰胺换成1.0％B(OCF3)3和4.0％12冠醚4，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例8
同实施例1，只是功能添加剂乙酰胺换成B(OC2H5)3，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例9
同实施例1，只是功能添加剂乙酰胺换成B(OC3H7)3，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
实施例10-13
以实施例1的各成份为依据，制造方法同实施例1，对实施例1各成份加入量进行调整，如下表1，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定：
表2为各实施例及对比例1所得电解液的理化检测对比表：
| 水分含量(ppm) | 酸度含量(ppm) | 电导率(mS/cm) | |
| 实施例1 | 8.9 | 12.3 | 11.2 |
| 实施例2 | 7.8 | 13.5 | 13.0 |
| 实施例3 | 9.3 | 11.5 | 11.7 |
| 实施例4 | 8.6 | 15.6 | 11.8 |
| 实施例5 | 10.2 | 13 | 11.4 |
| 实施例6 | 9.1 | 14.5 | 12.8 |
| 实施例7 | 8.7 | 15 | 11.7 |
| 实施例8 | 7.9 | 12.5 | 11.6 |
| 实施例9 | 8.2 | 14.1 | 11.9 |
| 实施例10 | 8.1 | 15.5 | 11.3 |
| 实施例11 | 9.1 | 12.1 | 11.8 |
| 实施例12 | 9.8 | 13.1 | 11.1 |
| 实施例13 | 8.8 | 14.3 | 12.5 |
| 对比例1 | 7.7 | 14.3 | 10.5 |
对比例
操作步骤同实施例1，99.95％以上的溶剂，碳酸乙烯酯28.83％，碳酸二甲酯28.83％，碳酸甲乙酯28.84％混合均匀，在该混合溶剂中溶解12.5％的LiPF6，最后加入1.0％的碳酸亚乙烯酯，并就所得电解液作水分测定，酸碱度测定，以及电导率测定。
表3为各实施例及对比例1所得电解液制备电池后电池的倍率放电特性对比表：
| 实例 | 1C放电容量C<sub>1C</sub>(mAh) | 5C放电容量C<sub>5C</sub>(mAh) | C<sub>5C</sub>/C<sub>1C</sub>(％) | 10C放电容量C<sub>10C</sub>(mAh) | C<sub>10C</sub>/C<sub>1C</sub>(％) |
| 1 | 883 | 839.7 | 95.1 | 796.5 | 90.2 |
| 2 | 886 | 861.2 | 97.2 | 819.5 | 92.5 |
| 3 | 879 | 850 | 96.7 | 805.2 | 91.6 |
| 4 | 880 | 841.3 | 95.6 | 795.5 | 90.4 |
| 5 | 876 | 831.3 | 94.9 | 788.4 | 90 |
| 6 | 885 | 840.1 | 94.9 | 801.6 | 93.6 |
| 7 | 884 | 851 | 96.3 | 820.0 | 92.8 |
| 8 | 878 | 845.2 | 96.3 | 799.8 | 91.1 |
| 9 | 881 | 855.1 | 97.1 | 807.4 | 91.6 |
| 10 | 882 | 846.5 | 96.0 | 818.6 | 92.8 |
| 11 | 884 | 860 | 97.3 | 810.8 | 91.7 |
| 12 | 880 | 859.2 | 93.6 | 798.4 | 90.1 |
| 13 | 881 | 860.5 | 97.7 | 801.5 | 91.0 |
| 对比1 | 884 | 688.1 | 85.5 | 384.5 | 43.5 |
Claims (3)
1.高倍率锂离子电池用电解液，其特征是电解液由以下各物质组成，物质含量以占总液重的w/w表示：
A、碳酸酯溶剂主要成分包括碳酸乙烯酯10～30％，碳酸丙烯酯4～20％，碳酸二甲酯35～50％，碳酸甲乙酯10～20％的混合液；
B、含有锂盐12.5～16.0％；
C、功能添加剂主要成分包括B(OC3H7)3，占总液重的0.1～5.0％。
2.根据权利要求1所述高倍率锂离子电池用电解液，其特征是锂盐选自LiPF6，LiAsF6，LiBOB，LiSO3CF3，LiBF4，Li(CF3SO2)2N，LiC(CF3SO2)3的一种或者多种，加入量为13.0～15.0％。
3.根据权利要求1所述高倍率锂离子电池用电解液，其特征是B(OC3H7)3，加入量为0.5～2％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Effective date of registration: 20091113 Pledge (preservation): Pledge |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20101227 Granted publication date: 20090218 Pledgee: China Merchants Bank, Limited by Share Ltd, Guangzhou surplus Plaza Branch Pledgor: Guangzhou heaven sent high-tech materials Limited by Share Ltd|Guangzhou heaven sent silicone Technology Co.,Ltd. Registration number: 2009440000644 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20101227 Granted publication date: 20090218 Pledgee: China Merchants Bank, Limited by Share Ltd, Guangzhou surplus Plaza Branch Pledgor: Guangzhou heaven sent high-tech materials Limited by Share Ltd|Guangzhou heaven sent silicone Technology Co.,Ltd. Registration number: 2009440000644 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: High rate electrolyte for lithium ion battery Effective date of registration: 20091113 Granted publication date: 20090218 Pledgee: China Merchants Bank, Limited by Share Ltd, Guangzhou surplus Plaza Branch Pledgor: Guangzhou Tianci High-Tech Material Co., Ltd. Registration number: 2009440000644 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20101227 Granted publication date: 20090218 Pledgee: China Merchants Bank, Limited by Share Ltd, Guangzhou surplus Plaza Branch Pledgor: Guangzhou heaven sent high-tech materials Limited by Share Ltd|Guangzhou heaven sent silicone Technology Co.,Ltd. Registration number: 2009440000644 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model |