CN102231441A - 用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液及制备方法与应用 - Google Patents

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李伟善
许梦清
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Abstract

本发明提供了一种用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液及制备方法与应用。该含硫成膜功能电解液是在普通电解液中加入相当于普通电解液质量1～5％的功能添加剂得到；普通电解液由环状碳酸酯溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；功能添加剂为1，3-丙磺酸内酯或丙烯基-1，3-磺酸内酯中的一种或两种。本发明使用的功能添加剂具有较高的还原电位，在首次充电过程中能够形成一层致密、稳定的SEI膜，可以有效的抑制环状碳酸酯向石墨电极的共嵌，扩大环状碳酸酯的应用范围，有效提高电池的初始放电容量、循环寿命和高低温性能。将该含硫成膜功能电解液应用于制造锂离子电池，得到的锂离子电池具有良好的充放电性能。

Description

用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及用于制造锂离子电池领域，特别涉及一种用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液及制备方法与应用。
背景技术
能源短缺和环境污染是当今世界最为关注的二大难题。锂离子电池因其具有优良的特性(工作电压高、比容量高、循环寿命长、与环境友好以及无记忆效应)而成为目前发展最快亦最受重视的新型高能蓄电池，在实际应用中也已开始显示出无法取代的巨大优势。
锂离子电池在结构上主要由正、负电极材料、隔膜、电解液材料组成。目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂、锰酸锂，另外还有少数采用镍酸锂以及二元/三元聚合物；锂离子电池负极材料大多采用天然石墨、中间相碳微球(MCMB)等；以聚乙烯和聚丙烯的复合膜作为锂离子电池的隔膜。锂离子电池中应用最广泛的电解液是将导电锂盐LiPF6溶解在以碳酸乙烯酯(EC)为基础的二元或三元的混合溶剂，这些溶剂一般是有机碳酸酯系列，包括：二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、甲基乙基碳酸酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)等。PC具有较好的低温性能，介电常数较高，而且PC具有较高的化学、电化学和光稳定性，能够在恶劣的条件下使用。但是，PC并未能广泛应用到一般电解液中，这是因为PC在电解液中能够于Li+共嵌入石墨中，导致石墨的剥落，影响电池的电化学性能。而目前锂离子电池行业中负极材料使用最多的是高堆积密度天然石墨，具有充放电曲线平坦及价格低廉的优点，是一种理想的锂离子电池负极材料。但是，未经过处理的天然石墨具有高度晶化和取向度的鳞片状结构，在充电过程中会发生溶剂分子进入石墨层间而引起石墨层剥落的现象，从而造成可逆容量低，循环性能差。许多研究工作者通过对石墨表面进行修饰，即通过物理或化学的方法进行表面改性，从而提高其电化学性能并取得了较大的成效。虽然对电极材料进行结构改性是影响电池性能的原因之一，但更重要的原因是电池体系中电解液与电极材料之间发生的化学和电化学反应。通过优化锂离子电池电解液的组分和配比，改善锂离子电池电解液/电极界面性质等方面来提高锂离子电池的性能。为此许多研究工作者致力于优化改善SEI膜的性质，首先可以通过优化电解液的组分以及配比；其次是寻找和设计优良的成膜添加剂。如Gerhard H.Wrodnigg等人(ElectrochemistryCommunications 1999.1)发现，使用含硫有机物烯丙基亚硫酸酯能够在石墨表面形成一层致密的SEI膜，抑制了溶剂PC的共嵌作用。但是，含该物质功能电解液制备的锂离子电池，其首圈循环中损耗较多的Li+，导致不可逆容量较大。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
本发明的另一目的在于提供所述用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，是在普通电解液添加相当于普通电解液质量1～5％的功能添加剂；普通电解液由环状碳酸酯溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；功能添加剂为1，3-丙磺酸内酯或丙烯基-1，3-磺酸内酯中的一种或两种；
所述的普通电解液的组成更优选如下所示：环状碳酸酯溶剂和线型碳酸酯溶剂的质量比为1∶3～3∶2，导电锂盐的终浓度为0.8～1.2mol/L；
所述的环状碳酸酯溶剂优选为碳酸丙烯酯(PC)；
所述的线型碳酸酯溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸甲丙酯(MPC)中的一种或几种；
所述的导电锂盐选自LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiC(CF3SO2)3中的一种或多种；
上述用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的制备方法，包括如下步骤：
(1)将环状碳酸酯溶剂和线型碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐加入步骤(1)所得到的溶剂中，得到普通电解液；
(3)在步骤(2)得到的普通电解液中加入相当于普通电解液质量1～5％的功能添加剂；功能添加剂为1，3-丙磺酸内酯或丙烯基-1，3-磺酸内酯中的一种或两种；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液；
步骤(1)中所述的环状碳酸酯溶剂和所述的线型碳酸酯溶剂优选按质量比1∶3～3∶2混合；
所述的环状碳酸酯溶剂优选为碳酸丙烯酯(PC)；
所述的线型碳酸酯溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸甲丙酯(MPC)中的一种或几种；
步骤(1)中所述的纯化除杂、除水优选通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或几种进行处理；
所述的分子筛可以采用
Figure BDA0000061675560000031
或
Figure BDA0000061675560000032
型，最好选用或
Figure BDA0000061675560000034
步骤(2)中所述的导电锂盐的用量优选为在所述的普通电解液中的终浓度为0.8～1.2mol/L；
所述的导电锂盐选自LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiC(CF3SO2)3中的一种或多种；
所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液应用于制造锂离子电池，得到的电池具有良好的充放电性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明使用含硫环状有机物作为锂离子电解液的添加剂，由于含硫环状有机物具有较高的还原电位，在首次充电过程中能够形成一层致密、稳定的SEI膜，可以有效的抑制环状碳酸酯，特别是碳酸丙烯酯(PC)向石墨电极的共嵌，扩大环状碳酸酯，特别是碳酸丙烯酯(PC)的应用范围，有效提高电池的初始放电容量、循环寿命和高低温性能。
附图说明
图1是电池首圈循环伏安扫描图。
图2是电池首圈充放电图。
图3是电池循环3周后的交流阻抗图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶DMC＝1∶1混合，并采用
Figure BDA0000061675560000041
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，得到普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加丙烯基-1，3-磺酸内酯，丙烯基-1，3-磺酸内酯的用量为电解液质量的1％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例2
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶DMC＝1∶1混合，采用
Figure BDA0000061675560000042
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为0.8mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加丙烯基-1，3-磺酸内酯，丙烯基-1，3-磺酸内酯的用量为电解液质量的2％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例3
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶EMC＝1∶1混合，采用
Figure BDA0000061675560000043
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加丙烯基-1，3-磺酸内酯，丙烯基-1，3-磺酸内酯的用量为电解液质量的5％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例4
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶EMC＝3∶2混合，采用
Figure BDA0000061675560000044
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiClO4溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加1，3-丙磺酸内酯，1，3-丙磺酸内酯的用量为电解液质量的2％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例5
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶EMC＝2∶3混合，采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiAsF6溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为0.9mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加1，3-丙磺酸内酯，1，3-丙磺酸内酯的用量为电解液质量的2％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例6
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶EMC＝1∶3混合，采用
Figure BDA0000061675560000052
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐Li(CF3SO2)2N溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为1.2mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加1，3-丙磺酸内酯，1，3-丙磺酸内酯的用量为电解液质量的2％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
实施例7
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸丙烯酯(PC)和线型碳酸酯溶剂二甲基碳酸酯(DMC)按质量比PC∶EMC＝1∶1混合，采用
Figure BDA0000061675560000053
分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐LiC(CF3SO2)3溶解在步骤(1)得到的溶剂中，终浓度为1.2mol/L，搅拌均匀，配成普通电解液；
(3)在步骤(2)制备的普通电解液中添加1，3-丙磺酸内酯，1，3-丙磺酸内酯的用量为电解液质量的5％；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
效果比较：
将实施例1～2制备得到的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液和对比实施例(即实施例1步骤(2)制备的普通电解液)进行比较：
(1)图1为实施例1制备的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的电化学特性曲线图。测定的是电解液的电池电流与电位的关系，同时对比实施例为对照。测试方法为：用石墨做工作电极，锂片作为对电极，添加2％的添加剂的电解液后装配成电池后在Solartron-1480(英国)多通道测试仪进行循环伏安电化学测试。扫描范围为2.5V-0.01V，扫描速率：0.2mV/s，图1说明丙烯基-1，3-磺酸内酯能够优先于电解液溶剂还原在负极上还原参与形成SEI膜。
(2)应用电解液制备扣式电池，进行充放电性能的测试：以质量百分比90％的天然石墨，质量百分比5％的PVDF和质量百分比5％的导电碳黑为工作电极，金属锂为参比和对电极，加入电解液30μL。在室温25℃恒温下以1/20C在0.01V到2.5V间充放电测试。如图2所示，对比实施例在0.5V持续分解，电池无容量；而实施例2制备的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液用于锂离子电池初始容量为286.1mAh/g，库伦效率为91.34％，此结果说明功能添加剂的加入能够提高电池的初始容量。
(3)将使用对比实施例的锂离子电池和使用实施例2的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的锂离子电池经过充放电循环后，测定电极表面阻抗的变化。由图3对照说明，丙烯基-1，3-磺酸内酯在石墨表面形成SEI膜的阻抗比普通电解液形成SEI膜的阻抗低，进一步说明丙烯基-1，3-磺酸内酯能够在石墨表面形成致密、稳定的SEI膜。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，其特征在于：在普通电解液中加入相当于普通电解液质量1～5％的功能添加剂得到所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液；普通电解液由环状碳酸酯溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；功能添加剂为1，3-丙磺酸内酯或丙烯基-1，3-磺酸内酯中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，其特征在于：所述的普通电解液的组成如下所示：环状碳酸酯溶剂和线型碳酸酯溶剂的配比为质量比为1∶3～3∶2，导电锂盐的终浓度为0.8～1.2mol/L。
3.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，其特征在于：所述的环状碳酸酯溶剂为碳酸丙烯酯。
4.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，其特征在于：所述的线型碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯或碳酸甲丙酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液，其特征在于：所述的导电锂盐为LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N或LiC(CF3SO2)3中的至少一种。
6.权利要求1～5任一项所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将环状碳酸酯溶剂和线型碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐加入步骤(1)所得到的溶剂中，得到普通电解液；
(3)在步骤(2)得到的普通电解液中加入相当于普通电解液质量1～5％的功能添加剂；功能添加剂为1，3-丙磺酸内酯或丙烯基-1，3-磺酸内酯中的一种或两种；得到用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液。
7.根据权利要求6所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的纯化除杂、除水为通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或至少两种进行处理。
8.根据权利要求7所述的所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液的制备方法，其特征在于：所述的分子筛为
Figure FDA0000061675550000011
型、
Figure FDA0000061675550000012
型或
Figure FDA0000061675550000013
型。
9.权利要求1～5任一项所述的用于锂离子电池的含硫成膜功能电解液在制造锂离子电池中的应用。
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