CN103500850B - 一种磷酸铁锂电池的低温电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磷酸铁锂电池的低温电解液，包括以下体积百分比的溶剂：碳酸酯类溶剂30%～45%，羧酸酯类溶剂50%～65%，添加剂4%～10%；所述溶剂中含有溶质锂盐，所述的锂盐为LiPF6或者LiPF6与LiBF4的组合，锂盐的浓度为0.8～1.4mol/L。本发明的非水性电解液，通过优化电解液溶剂的种类及配比组合，选用低粘度的碳酸酯和低熔点的羧酸酯，降低低温下的凝固点，增大低温电导率。本发明优化电解液锂盐，优选低温添加剂，达到保持电解液常温循环倍率性能的同时，增大磷酸铁锂电池的低温容量保持率和倍率性能。不仅能够满足电解液的商业应用要求，特别改进电解液的低温性能，适用于航空航天及高原高寒环境。

Description

一种磷酸铁锂电池的低温电解液
技术领域
本发明涉及一种磷酸铁锂技术，具体说是一种磷酸铁锂的低温电解液，属于材料化学和电化学领域。
背景技术
能源的日益衰竭，新型交通工具和现代通讯科技的发展，引领对锂离子电池的迅速增加的需求。锂离子电池因其能量密度大，工作电压高、循环寿命长、无环境污染等突出优点，已经广泛的应用于移动电话、便携式电脑、测量仪中，在国防军工、航天领域及迅速发展的新能源汽车中有广阔的应用前景。
当使用锂离子电池的手机等通讯设备、汽车，在冬季或者高寒环境下运行时，如果电源不能提供足够的能量输出，这些设备就无法正常运行。磷酸铁锂电池的低温充放电性能在技术还存在瓶颈，影响在低温条件下的应用。由于磷酸铁锂电池本身电导率较其他正极材料低，虽然在实施碳包覆、纳米细化颗粒后提高材料的电导率，但是温度降低到-20℃下，电池的充放电性能急剧下降，极大的限制电池的使用。锂离子在电极活性物质中的扩散能力和在电解液中的导电能力都是决定低温性能的因素。
电解液的限制因素主要是导电能力，包括锂盐的溶解度、溶剂和添加剂三个方面。商品化的锂离子电解液的公开配方是LiPF6/EC+DMC(其他碳酸酯共溶剂)。该电解液体系的环状酯EC由于高熔点(37℃)，室温固态形式存在，是电解液低温条件下导电性下降的重要原因。传统、单一的六氟磷酸锂在电解液中的导电能力差容易生成酸性杂质。如何提高磷酸铁锂电池在低温-40℃下的充放电性能，选择合适的电解液溶剂或混合溶剂、合适的锂盐一直是锂电池研究工作者的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组分选择合适、配比合理，具有良好的常温循环稳定性能、倍率性能，常温、低温充放电性能良好的磷酸铁锂电池用低温电解液，解决电解液的低温改善界面相容性以弥补现有技术的缺陷。
本发明通过以下技术方案实现：
一种磷酸铁锂电池低温电极液，其特征是，包括以下体积百分比的原料制成：
碳酸酯类溶剂30％～45％，羧酸酯类溶剂51％～65％，各种功能添加剂4％～10％。
上述溶剂中含有溶质锂盐，所述锂盐为按照溶剂总体积计算的六氟磷酸锂(LiPF6)0.8～1.2mol/L，四氟硼酸锂(LiBF4)0.11～0.33mol/L。
所述碳酸酯为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸甲乙酯(EMC)、氟代碳酸酯(FEC)、氯代碳酸乙烯酯(Cl-EC)中的一种或其中的结合；
所述羧酸酯为甲酸甲酯(MF)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丁酸甲酯(MB)、丁酸乙酯(EB)中的一种或几种结合；
所述添加剂为γ-戊内酯(GVL)、碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)中的一种或几种。
本发明所述的锂盐为LiPF6、LiBF4两种。
所述锂盐如果浓度低于0.8mol，会由于导电离子不足而降低电导率，如果锂盐浓度高于1.8mol，会由于粘度增大造成锂离子的迁移受阻。
本发明磷酸铁锂电池电解液的制备方法如下：将选取的有机溶剂在湿度小于10ppm的环境中充分混合均匀，加入所需锂盐，等加入的锂盐完全溶解后，再加入所选的添加剂，静置一定时间，就得到本发明的磷酸铁锂电池的低温电解液。
本发明通过研究电解液溶剂的介电常数、粘度、熔沸点等物理参数，优化电解液溶剂的种类及配比，并选择性能优良的低温电极液添加剂，如Li2CO3促进电极表面的SEI膜的形成及稳定，降低界面阻抗；加入氟代碳酸酯降低电池在低温条件下的阻抗改善电解液低温和安全性能；以高介电常数的碳酸酯为基础，保证锂盐的溶解度；加入低凝固点、低粘度的羧酸酯类溶剂如丙酸甲酯(MP)、甲酸甲酯(MA)，降低电解液在低温下的凝固点，改善电解液的低温电导率，有利于离子迁移；降低碳酸甲丙酯(MPC)的含量，避免充电过程中对石墨负极因Li+嵌入而导致的剥落；因此更适合低温条件下锂离子电池的充放电。
在非水性电解液的配比优化上，本发明做到既不影响电解液的电导率降低高熔点的溶剂组分，增大低粘度低熔点的组分，又能提高电解液的低温电导率，
本发明中的锂盐及其他碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、羧酸酯等均为常用电解液试剂，容易从市场购得，且价格适宜，适合于大规模的生产。
本发明具有以下优点及效果：
1、具有优异的低温充放电性能。本发明的各组分粘度低、熔沸点低介电常数高，低温电导率高，在低温下更有利于Li+的迁移，有利于电池的低温充放电。该电解液在低于-40℃时，仍具有较高的电导率，0.1C放电，电池相对于25℃是的容量保持率为85％左右。
2、具有良好的低温倍率性能。本发明采用混合锂盐，降低电池的低温电荷转移阻抗，优化电解液和电极的相容性，提高电池的低温倍率性能。
3、具有良好的常温充放电、倍率及循环稳定性能。由于锂电池的实际工作中会消耗掉部分锂离子，高浓度混合锂盐的使用增大锂离子的量，有效保证电解液的导电能力。电解液的最佳组合溶剂保证锂盐的有效溶解，使电池的常温比容量较高，倍率和循环性能优越。
4、加入环状羧酸酯做添加剂，减少电池反应过程中产生的气体量，有利提高电池的安全性。
附图说明
图1实施例的电解液在常温下的电导率。
图2实施例的电解液在不同温度下的电导率变化曲线。
表1实施例25℃磷酸铁锂电池的电化学性能。
表2实施例-40℃磷酸铁锂电池的容量保持率及倍率性能。
图1中，Conductivity：电导率；NumberofEmbodiment：实施例编号。
图2中，Conductivity：电导率；Embodiment1-6：实施例1-6；Temperature：温度。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1：
按照体积百分比分别取10％的氟代碳酸甲丙酯、20％的碳酸甲乙酯、25％的甲酸甲酯和36％的丁酸甲酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入1mol/L的锂盐LiPF6，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，亚硫酸丙烯酯4％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
实施例2：
按照体积百分比分别取10％的氟代碳酸甲丙酯、20％的碳酸甲乙酯、25％的乙酸甲酯和36％的丙酸甲酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入0.8mol/L的锂盐LiPF6，0.11mol/L的LiBF4，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，亚硫酸丙烯酯4％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
实施例3：
按照体积百分比分别取15％的氟代碳酸甲丙酯、15％的碳酸甲乙酯、25％的乙酸乙酯和35％的丁酸甲酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入0.9mol/L的锂盐LiPF6，0.22mol/L的LiBF4，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，亚硫酸丙烯酯5％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
实施例4：
按照体积百分比分别取10％的氯代碳酸甲丙酯、20％的碳酸甲乙酯、25％的甲酸甲酯和36％的丁酸乙酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入0.8mol/L的锂盐LiPF6，0.33mol/L的LiBF4，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，亚硫酸丙烯酯4％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
实施例5：
按照体积百分比分别取10％的氟代碳酸甲丙酯、20％的碳酸甲乙酯、25％的丙酸甲酯和36％的甲酸甲酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入1.1mol/L的锂盐LiPF6，0.20mol/L的LiBF4，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，γ-戊内酯4％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
实施例6：
按照体积百分比分别取15％的碳酸甲丙酯、20％的碳酸甲乙酯、25％的乙酸甲酯和30％的丁酸乙酯，在湿度小于10ppm的手套箱中搅拌混合均匀，同时溶液温度控制在25℃，配置成电解液的溶剂；然后分次加入1.2mol/L的锂盐LiPF6，0.15mol/L的LiBF4，在电解质溶解完全后，再加入添加剂碳酸亚乙烯酯5％，γ-戊内酯5％。电解液静置24h后，即得到本实施例的磷酸铁锂电池低温型电解液。
电解液的性能测试
上述实施例所配置的电解液1～6，选择商业化的磷酸铁锂(粒径在1～10μm)，按照常规的磷酸铁锂扣式电池的工艺装配，分别在常温条件下测试0.1C-0.5C-1C-2C-5C-10C的倍率性能及0.5C循环100周循环容量。在低温-40℃条件下静置8h后，低温连续测试充放电及倍率性能。结果详见说明书附图。
表1：
表2：
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比10%的氟代碳酸甲丙酯、20%的碳酸甲乙酯、25%的丙酸甲酯、36%的甲酸甲酯、5%的碳酸亚乙烯酯、4%的γ-戊内酯；溶质为1.1mol/L的锂盐LiPF6和0.20mol/L的LiBF4。
2.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比为5%的碳酸亚乙烯酯、4%的亚硫酸丙烯酯、10%的氟代碳酸甲丙酯、20%的碳酸甲乙酯、25%的甲酸甲酯和36%的丁酸甲酯；溶质为1mol/L的锂盐LiPF6。
3.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比为5%的碳酸亚乙烯酯、4%的亚硫酸丙烯酯、10%的氟代碳酸甲丙酯、20%的碳酸甲乙酯、25%的乙酸甲酯和36%的丙酸甲酯；溶质为0.8mol/L的锂盐LiPF6和0.11mol/L的LiBF4。
4.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比为5%的碳酸亚乙烯酯、5%的亚硫酸丙烯酯、15%的氟代碳酸甲丙酯、15%的碳酸甲乙酯、25%的乙酸乙酯和35%的丁酸甲酯；溶质为0.9mol/L的锂盐LiPF6和0.22mol/L的LiBF4。
5.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比为5%的碳酸亚乙烯酯、4%的亚硫酸丙烯酯、10%的氯代碳酸甲丙酯、20%的碳酸甲乙酯、25%的甲酸甲酯和36%的丁酸乙酯；溶质为0.8mol/L的锂盐LiPF6和0.33mol/L的LiBF4。
6.一种磷酸铁锂电池的低温电解液，其特征是，溶剂为按照体积百分比为5%的碳酸亚乙烯酯、5%的γ-戊内酯、15%的碳酸甲丙酯、20%的碳酸甲乙酯、25%的乙酸甲酯和30%的丁酸乙酯；溶质为1.2mol/L的锂盐LiPF6和0.15mol/L的LiBF4。
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CN106129472A (zh) * 2016-07-01 2016-11-16 东风商用车有限公司 一种磷酸铁锂电池低温电解液

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