CN103811811B - 一种锂离子动力电池用阻燃电解液及采用其制备的锂离子动力电池 - Google Patents

一种锂离子动力电池用阻燃电解液及采用其制备的锂离子动力电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池用阻燃电解液及采用其制备的锂离子动力电池。目的是为了解决目前锂离子动力电池电解液中为了提高锂离子电池的安全性而采用的电解液对电池本身存在严重负面影响的问题。电解液由有机溶剂、电解质、成膜添加剂和阻燃添加剂组成，电解质在有机溶剂中的摩尔浓度为0.6‑1.3mol/L，成膜添加剂和阻燃添加剂在电解液中的重量百分数分别为2‑5%、5‑8%，阻燃添加剂为环状三聚磷腈化合物。本发明阻燃剂具有高沸点、低粘度特性，通过去其他组分相结合使得该电解液具有良好的阻燃效果；并且应用该电解液的动力电池在实现电池性能不受影响的基础上实现了较好的阻燃性能，达到了预期的目的。

Description

一种锂离子动力电池用阻燃电解液及采用其制备的锂离子动 力电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池用阻燃电解液及采用其制备的锂离子动力电池。
背景技术
锂离子动力电池在电动汽车领域及大型储能设备等动力能源领域的巨大应用前景，引起了众多科学工作者及企业单位的关注。锂离子电池由于能量密度大、工作电压高、循环寿命长、高功率、环境友好等优点，成为目前新能源领域研究的热点。随着锂离子电池的迅猛发展以及电动汽车对大容量锂离子电池的需求，迫切需要开发具有高安全性、高容量、高功率，长寿命及环保的锂离子动力电池。目前制约高容量动力电池应用的最大的障碍就是电池的安全性，作为新一代的绿色能源产品，锂离子动力电池的安全性能是制约锂离子电池发展的一个重要因素。锂离子电池自身存在着许多安全隐患，在电解液中加入添加剂是提高锂离子电池安全性的简单并且有效的方法。在降低溶剂可燃性方面，在电池中添加一些高沸点、高闪点和不易燃的溶剂可达到阻燃的效果。
美国专利 US6589697，US6924061，US6589697，公布的锂离子电解液采用了磷酸三甲酯（TMP），磷酸三苯酯（TPP），磷酸三丁酯（TBP），三氟乙基磷酸酯等磷酸酯类作为电解液添加剂，已降至电解液的可燃性，提高锂离子电池的安全性能。但是这些大都具有高粘度，高的凝固点，低锂盐溶解度，作为阻燃添加剂使用，用量通常较大（10%以上）才能达到阻燃效果，但大量的阻燃添加剂的加入会对电池的性能有很大的负面影响，这些阻燃添加剂的应用受到了限制，因此，急需开发能在不影响锂离子电池基本性能的基础上实现阻燃性能的电解液。
发明内容
本发明的一个目的在于为了增加锂离子动力电池的安全性，解决目前锂离子动力电池电解液中为了提高锂离子电池的安全性而采用的电解液对电池本身存在严重负面影响的问题，提供一种锂离子动力电池用阻燃电解液。
本发明的另一个目的是提供一种采用锂离子动力电池用阻燃电解液制备而成的锂离子动力电池。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子动力电池用阻燃电解液，该电解液由有机溶剂、电解质、成膜添加剂和阻燃添加剂组成，电解质在有机溶剂中的摩尔浓度为0.6-1.3mol/L，成膜添加剂和阻燃添加剂在电解液中的重量百分数分别为2-5%、5-8%，所述阻燃添加剂为环状三聚磷腈化合物。
环状三聚磷腈化合物由于环状结构的稳定性，具有很好的耐酸耐碱以及耐高温特性。环状三聚磷腈化合物作为阻燃剂添加入电解液中不仅添加量少，并且对电解液中的其他物质影响较小，对电解液的粘度影响较小。由于阻燃剂的阻燃效果较好好，所以添加量要比常规的阻燃剂添加量小，进而进一步降低阻燃添加剂对电解液的影响，但是太小的话阻燃效果会达不到预期目的，因此添加量要适量。
作为优选方案，所述环状三聚磷腈化合物为2-乙氧基-2,4,4,6,6-五氟-2λ5,4λ5,6λ5-[1,3,5,2,4,6]三聚磷腈、2,4-二乙氧基-2,4,6,6-四氟三聚磷腈或2,2,4,4,6-五氟-6-苯氧基三聚磷腈。氟、乙氧基或苯氧基取代的环状三聚磷腈化合物不仅具有优良的阻燃效果，而且具有更好的耐高温特性和阻燃效果。
作为优选方案，所述有机溶剂中含有占有机溶剂重量百分数为1-2%的三乙胺。三乙胺可以和电解液中的H+反应，减少气体生成，抑制电池的膨胀，从而降低电池的安全隐患。
作为优选方案，所述有机溶剂的其他组分为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯的混合液，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯的体积比为5-10:1:5-8:3-8。
作为优选方案，所述电解质为六氟磷酸锂和二草酸硼酸锂，六氟磷酸锂和二草酸硼酸锂在有机溶剂中的摩尔浓度分别为0.5-1.2mol/L和0.1~0.3 mol/L。这个浓度范围的锂盐可以为电解液提供较高的电导率，为电池的性能提供保障。但是由于六氟磷酸锂热稳定性较差，易水解，且基于它的电解液的低温电导率较低，因此存在很多局限。而二草酸硼酸锂虽然不含氟离子，但仍然具有较好的热稳定性和较宽的电化学窗口，并且在有机溶剂中有良好的电导率。同时，它还可以在正极表面形成钝化膜，另外它可以防止石墨负极的碳层剥落。
作为优选方案，所述成膜添加剂由占电解液重量百分数的以下组分组成：碳酸亚乙烯酯1-3%和亚硫酸丙烯酯1-2%。两个组分发生还原聚合，能够在石墨电极表面形成SEI膜，SEI 膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。但是SEI 膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率因此成膜剂的浓度不宜过高。
一种锂离子动力电池，采用上述所说的一种锂离子动力电池用阻燃电解液制备而成。通过采用该电解液制备的锂离子动力电池能够在不影响电池性能的基础上实现良好的阻燃性能。
本发明的有益效果为：本发明的电解液通过采用四溶剂体系，使得电解液具有合适的粘度和介电常数，同时，锂盐浓度为0.6-1.3mol/L使电解液具有了较高的电导率，从而保证动力电池的高倍率及功率特性；本发明的电解液通过采用具有高沸点、低粘度特性的环状三聚磷腈化合物的阻燃剂使得该电解液具有良好的阻燃效果； 应用该电解液的动力电池在实现电池性能不受影响的基础上实现了较好的阻燃性能，达到了预期的目的。
附图说明
图1锂离子动力电池的充放电曲线图；
图2锂离子动力电池的循环性能曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
本发明的阻燃剂为：2-乙氧基-2,4,4,6,6-五氟-2λ5,4λ5,6λ5-[1,3,5,2,4,6] 三聚磷腈、2,4-二乙氧基-2,4,6,6-四氟三聚磷腈和2,2,4,4,6-五氟-6-苯氧基三聚磷腈均来自日本化学工业（英文 Nippon Chemical）。
实施例一：
锂离子动力电池用阻燃电解液的制备：
将有机溶剂：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯按照表1的体积比进行混合，然后按照表1的添加量加入三乙胺、六氟磷酸锂和二草酸硼酸锂，成膜添加剂：碳酸亚乙烯酯和亚硫酸丙烯酯，阻燃剂：2-乙氧基-2,4,4,6,6-五氟-2λ5,4λ5,6λ5-[1,3,5,2,4,6]三聚磷腈，并于55℃加热使各组分溶解，最后加入，混合均匀得到电解液。
实施例二：
锂离子动力电池用阻燃电解液的制备：
根据实施例一的方法并按表1的体积比及添加量制备电解液，其中阻燃剂为2,4-二乙氧基-2,4,6,6-四氟三聚磷腈。
实施例三：
锂离子动力电池用阻燃电解液的制备：
根据实施例一的方法并按表1的体积比及添加量制备电解液，其中阻燃剂为2,2,4,4,6-五氟-6-苯氧基三聚磷腈。
表1
组分含量及配比 实施例一 实施例二 实施例三
六氟磷酸锂 mol/L 0.5 0.9 1.2
二草酸硼酸锂 mol/L 0.1 0.3 0.1
有机溶剂的比例 5:1:5:3 10:1:8: 6 6:1:7:8
三乙胺 % 1 2 1.3
成膜剂%
碳酸亚乙烯酯 % 1.0 3.0 2.0
亚硫酸丙烯酯 % 1.0 1.5 2.0
阻燃剂%
2-乙氧基-2,4,4,6,6-五氟-2λ5,4λ5,6λ5-[1,3,5,2,4,6]三聚磷腈 5
2,4-二乙氧基-2,4,6,6-四氟三聚磷腈 6
2,2,4,4,6-五氟-6-苯氧基三聚磷腈 8
锂离子动力电池的制备：
（1）正极的制备：将885克聚偏二氟乙烯溶解在1575g克N-甲基-2吡咯烷酮（NMP）溶剂中制得固含为8%的粘结剂胶液，然后向粘结剂胶液中加入88g超导碳黑，搅拌均匀，再加入2000g镍钴锰三元材料，充分搅拌分散，加入N-甲基-2吡咯烷酮调节浆料固含至50%，充分分散，得到正极浆料；将该正极浆料均匀的涂布到20μm的铝箔上，经130℃干燥2小时，压延后得到正极片。
（2）负极的制备：将30克羟甲基纤维素CMC和75克丁苯橡胶（SBR）胶乳溶解在1940克水中，制得粘结剂溶液，将1500克石墨加入到该粘结剂溶液中，混合均匀制得石墨负极浆料，将该负极浆料均匀涂布在12μm厚的铜箔上并经130℃干燥1.5小时，压延后得到负极片。
（3）将正、负极片经过分切、冲片得到所需尺寸的正负极片，采用20~30μm厚的聚丙烯或聚乙烯隔膜在叠片机上进行装配，然后进行极耳焊接、铝塑膜封装制成铝塑膜软包电池，随后将各实施例制得的锂离子动力电池用阻燃电解液注入到电池中制，密封制成容量为20Ah的不同的锂离子动力电池。
对制备的各种锂离子动力电池进行性能测试。
随机抽取以上实施例制备的电池5个，在满电状态下进行串联，然后进行针刺安全实验；电池安全测试，结果显示不起火、不爆炸，安全性能优良。
由图1和图2显示，在添加阻燃剂后，锂离子动力电池的充放电状况表现优良，锂离子动力电池的循环性能优良。

Claims (2)

1.一种锂离子动力电池用阻燃电解液，其特征在于，所述电解液由有机溶剂、电解质、成膜添加剂和阻燃添加剂组成，电解质在有机溶剂中的摩尔浓度为0.6-1.3mol/L，成膜添加剂和阻燃添加剂在电解液中的重量百分数分别为2-5%、5-8%，所述阻燃添加剂为环状三聚磷腈化合物，所述环状三聚磷腈化合物为2-乙氧基-2,4,4,6,6-五氟-2λ5,4λ5,6λ5-[1,3,5,2,4,6]三聚磷腈、2,4-二乙氧基-2,4,6,6-四氟三聚磷腈或2,2,4,4,6-五氟-6-苯氧基三聚磷腈；所述有机溶剂中含有占有机溶剂重量百分数为1-2%的三乙胺，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯的混合液，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯的体积比为5-10:1:5-8:3-8；所述电解质为六氟磷酸锂和二草酸硼酸锂，六氟磷酸锂和二草酸硼酸锂在有机溶剂中的摩尔浓度分别为0.5-1.2mol/L和0.1~0.3mol/L；所述成膜添加剂由占电解液重量百分数的以下组分组成：碳酸亚乙烯酯1-3%和亚硫酸丙烯酯1-2%。
2.一种锂离子动力电池，其特征在于，所述锂离子动力电池采用权利要求1所述的阻燃电解液制备而成。
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