CN102610856A - 一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池，涉及电池领域，能够提高电池的安全性能。所述锂离子电池电解液包括锂盐、非水有机溶剂、成膜添加剂和热固性材料；当所述锂离子电池电解液达到规定温度时，所述热固性材料在电解液中转变为固态。本发明可用于电池领域。

Description

一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池。
背景技术
近几年来，锂离子电池以其较高的能量密度和良好的循环性能成为研究的热点。然而锂离子电池在一些不正当的使用操作后如加热、短路、热冲击或者长时间使用等，会产生热失控、内压升高等安全性问题，严重的最终导致电池爆炸、起火等问题，在一定程度上限制了锂离子电池的广泛应用。而这些问题的产生都和电解液的性质有着密切联系。
目前，为了防止由电池过热而产生的一些安全隐患，研究者们通过电极改性技术来改善电池的安全性能，大多通过采用极片涂层技术来减少电池热量对材料及电解液的影响，进而提高电池的安全性能。然而极片涂层技术会堵塞部分锂离子的通道，使电解液不能浸润到电极，影响锂离子的Li+的脱嵌，导致电池的倍率性能下降。
此外，为了改善电池的安全性能，锂离子电池中起到安全保护作用的隔膜也受到了人们的关注。研究者从隔膜入手，研制出耐热性隔膜，在很大程度上提高了电池的安全性能。然而在电池发生短路时，电池的热量会瞬间上升到100-200℃，而耐热性隔膜孔隙的热关闭温度为130-150℃，在电池热量低于隔膜孔隙的热关闭温度时，会出现隔膜还未来得及热关闭却已经引起了自身的收缩，导致电池正负极接触反而使热失控现象加剧，因此无法达到保护电池、提高安全性的目的。
发明内容
本发明的实施例提供一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池，在出现热失控问题时，能够减少热量的进一步产生，从而提高电池的安全性能。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种锂离子电池电解液，包括：
锂盐、非水有机溶剂、成膜添加剂和热固性材料；
当所述锂离子电池电解液达到规定温度时，所述热固性材料在电解液中转变为固态。
一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述锂离子电池电解液。
本发明实施例提供的锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池，电解液中含有热固性材料，能够在电解液达到规定温度时转变为固态。当电池发生热失控等安全问题时，电解液在热失控后达到规定温度，此时热固性材料转变为固态，堵塞锂离子通道，增大电池内阻，使电池形成断路，及时减少热量的进一步产生，从而提高电池的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中酚醛树脂的分子结构示意图。
图2为实施例2中氨基三嗪酚醛树脂的分子结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种锂离子电池电解液，包括：
锂盐、非水有机溶剂、成膜添加剂和热固性材料；
当所述锂离子电池电解液达到规定温度时，所述热固性材料在电解液中转变为固态。
其中，热固性材料是指在受热条件下能固化而具有不溶及不熔特性的材料。
需要说明的是，在锂离子电池正常的使用及存储温度范围内，锂离子电池维持正常的工作，能够有效保证安全性。但是在锂离子电池出现短路等热失控问题时，由于热量和温度的急剧上升，严重的有可能引起电池起火、爆炸等安全问题。
为了有效避免上述安全问题，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，在电解液中加入了热固性材料，热固性材料能够在电解液达到规定温度时转变为固态。需要说明的是，所述规定温度为电池出现安全隐患的临界温度，根据电池的性能和安全级别的差别，不同电池对应的所述规定温度可能相同也可能不同，在本发明实施例提供的锂离子电池电解液的温度低于所述规定温度时，所述热固性材料呈液态，不影响锂离子电池的循环及充放电性能；而达到或高于所述规定温度时，所述热固化材料将固化转变为固态。
这样，当电池发生热失控等安全问题时，电解液在热失控后达到规定温度，此时热固性材料转变为固态，固态的热固性材料将堵塞锂离子通道，增大电池内阻，使电池形成断路，及时减少热量的进一步产生，从而有效避免电池的安全问题，提高电池的安全性能。
可选的，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，所述规定温度为80-150℃。当然，规定温度的具体数值可以根据电池的实际工作温度及所需达到的安全级别等由本领域技术人员进行确定。
可选的，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，所述热固性材料选自酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯和硅醚树脂中的一种或几种。
为了进一步提供电解液的性能，所述热固性材料的含量优选为电解液总重量的0.1-50％。
当然，本发明实施例对热固性材料的具体种类及其含量不作限定，本领域技术人员可根据公知常识或常用技术手段进行具体选定。
进一步的，为了进一步提高电池的安全性能，本发明实施例提供的锂离子电池电解液还包括固化剂。其中，固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类能够增进或控制固化反应的物质或混合物。固化剂能够配合热固性材料达到更好的固化效果。
可选的，所述固化剂选自胺类固化剂、酸酐类固化剂、含有无机元素的高分子固化剂、过氧化环己酮和过氧化二苯甲酰中的一种或几种。其中，含有无机元素的高分子固化剂中的无机元素包括P、Si、B、F和Mg等。本发明实施例对固化剂的具体种类及其含量不作限定，本领域技术人员可根据公知常识或常用技术手段进行具体选定。
可选的，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiPF3(CF2CF3)3、LiCF3SO3和LiBOB中的一种或几种。本发明实施例对此不作限定，本领域技术人员可根据公知常识或常用技术手段进行具体选定。
可选的，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，所述非水有机溶剂选自碳酸酯、碳酸酯卤代衍生物、酯、醚和酮中的一种或几种。
为了进一步提供电解液的性能，所述非水有机溶剂的含量优选为电解液总重量的40-80％。
本发明实施例对非水有机溶剂的具体种类及其含量不作限定，本领域技术人员可根据公知常识或常用技术手段进行具体选定。
可选的，本发明实施例提供的锂离子电池电解液，所述成膜添加剂选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、1，3-磺酸丙内酯和1，4-磺酸丁内酯中的一种或几种。
为了进一步提供电解液的性能，所述成膜添加剂的含量优选为电解液总重量的0.1-10％。
本发明实施例对成膜添加剂的具体种类及其含量不作限定，本领域技术人员可根据公知常识或常用技术手段进行具体选定。
本发明实施例还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述锂离子电池电解液。
本发明实施例提供的锂离子电池可以采用公知的用于制备锂离子电池的方法利用上述锂离子电池电解液进行制备。由于本发明只涉及对锂离子电池电解液的改进，因此对锂离子电池的其他结构和组成没有特别限制。
本发明实施例提供的锂离子电池，电解液中含有热固性材料，能够在电解液达到规定温度时转变为固态。当电池发生热失控等安全问题时，电解液在热失控后达到规定温度，此时热固性材料转变为固态，堵塞锂离子通道，增大电池内阻，使电池形成断路，及时减少热量的进一步产生，从而提高电池的安全性能。
为了更好的说明本发明实施例提供的锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池，下面以具体实施例进行详细说明。
实施例1
锂离子电池电解液的制备：
将锂盐LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸甲乙酯(EMC)∶碳酸二甲酯(DMC)＝1∶1∶1(质量比)的混合溶剂中得到1mol/L的溶液，然后加入电解液总重量2％的碳酸亚乙烯酯(VC)、加入电解液总重量3％的酚醛树脂，即制得电解液，记为A1。图1示出了酚醛树脂的分子结构示意图。
锂离子电池的制备：
采用公知的制备锂离子电池的方法，利用上述制得的电解液A1制备锂离子电池，记为B1。
实施例2
锂离子电池电解液的制备：
将锂盐LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸甲乙酯(EMC)∶碳酸二甲酯(DMC)＝1∶1∶1(质量比)的混合溶剂中得到1mol/L的溶液，然后加入电解液总重量2％的碳酸亚乙烯酯(VC)、加入电解液总重量3％的氨基三嗪酚醛树脂，即制得电解液，记为A2。图2示出了氨基三嗪酚醛树脂的分子结构示意图。
锂离子电池的制备：
采用与实施例1相同的方法，利用上述制得的电解液A2制备锂离子电池，记为B2。
对比例
锂离子电池电解液的制备：
将锂盐LiPF6溶于碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸甲乙酯(EMC)∶碳酸二甲酯(DMC)＝1∶1∶1(质量比)的混合溶剂中得到1mol/L的溶液，然后加入电解液总重量2％的碳酸亚乙烯酯(VC)，即制得电解液，记为A。
锂离子电池的制备：
采用与实施例1相同的方法，利用上述制得的电解液A制备锂离子电池，记为B。
下面是针对实施例1、实施例2与对比例的安全性能测试：
(1)针刺测试：
选取实施例1、实施例2与对比例中的锂离子电池各5个，进行针刺测试。测试方法如下：
对电池充电后，用直径3-8mm的耐高温钢针，以10-40mm/s的速度，从垂直于电池极板的方向贯穿，并且钢针停留在电池中。
上述15个电池的针刺测试结果列于表1中。
(2)过充电测试：
选取实施例1、实施例2与对比例中的锂离子电池各5个，进行过充电测试。测试方法如下：
以1C的电流对电池充电，当电池端电压达到额定电压后，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01C，停止充电；
充电后的电池搁置24小时后，连接其正、负极于一恒压电源，调节电流至3A、电压为4.6V，然后对电池充电，直到电池电压为4.6V，电流降到接近0A，测试过程中采用热电偶监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值温度低约10℃时，结束试验。
上述15个电池的过充电测试结果列于表1中。
(3)短路测试：
选取实施例1、实施例2与对比例中的锂离子电池各5个，进行短路测试。测试方法如下：
以1C的电流对电池充电，当电池端电压达到额定电压后，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01C，停止充电；
充电后的电池搁置24小时后，将接有热电偶的电池置于通风橱中，用总电阻不大于50mΩ的线路短路正负极，测试过程中，利用热电偶监视电池温度变化，当电池温度下降到比峰值低约10℃时，结束测试。
上述15个电池的短路测试结果列于表1中。
表1
Figure BDA0000123310200000071
由表1中列出的测试结果可以看出，加入了酚醛树脂的电解液A1制成的电池B1及加入了氨基三嗪酚醛树脂的电解液A2制成的电池B2，在针刺、过充电及短路测试中表现良好，均未发生起火、爆炸等安全问题。而对比例中未加入热固性材料的电解液A制成的电池B在测试后，均出现了不同程度的起火或爆炸等安全问题。因此，本发明实施例提供的锂离子电池电解液及锂离子电池有效的提高了电池的安全性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种锂离子电池电解液，其特征在于，包括：
锂盐、非水有机溶剂、成膜添加剂和热固性材料；
当所述锂离子电池电解液达到规定温度时，所述热固性材料在电解液中转变为固态。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述规定温度为80-150℃。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述热固性材料选自酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯和硅醚树脂中的一种或几种。
4.根据权利要求1至3任一项所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述热固性材料的含量为电解液总重量的0.1-50％。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂离子电池电解液还包括固化剂。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述固化剂选自胺类固化剂、酸酐类固化剂、含有无机元素的高分子固化剂、过氧化环己酮和过氧化二苯甲酰中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiPF3(CF2CF3)3、LiCF3SO3和LiBOB中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂选自碳酸酯、碳酸酯卤代衍生物、酯、醚和酮中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂的含量为电解液总重量的40-80％。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述成膜添加剂选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、1，3-磺酸丙内酯和1，4-磺酸丁内酯中的一种或几种。
11.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述成膜添加剂的含量为电解液总重量的0.1-10％。
12.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括权利要求1至11所述的锂离子电池电解液。
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