CN103972587A - 一种具有高阻燃性能与电化学性能的电解液及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高阻燃性能与电化学性能的电解液及锂离子电池，该电解液包含溶剂、锂盐、阻燃溶剂和添加剂；锂盐的含量为0.2～2mol/L；阻燃溶剂的质量占电解液总质量的0.1～70%；添加剂是具有负极成膜作用的添加剂，添加剂的质量占电解液总质量的0.1～20%。本发明还公开了一种使用该具有高阻燃性能与优良电化学性能的电解液的该锂离子电池。本发明提供的具有高阻燃性能与电化学性能的电解液及锂离子电池，解决了锂离子电池有机电解液的易燃性问题，同时可以有效提高锂离子电池的循环性能和倍率性能。

Description

一种具有高阻燃性能与电化学性能的电解液及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种电解液及使用该电解液的锂离子电池，具体地，涉及一种具有高阻燃性能及优良电化学性能的锂离子电池电解液及使用该电解液的锂离子电池。
背景技术
相比传统化学电源，锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、无记忆效应等优点，近20年来，得到了飞速的发展。然而，由于锂离子电池使用易燃的有机电解液，使得其在受到外来撞击或短路滥用时，很容易导致电解液泄漏，引发电池燃烧甚至爆炸，因而在不影响锂离子电池的电化学性能的前提下，提高电解液的阻燃性能，对于提高锂离子电池的安全性至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于锂离子电池的电解液及使用该电解液的锂离子电池，该电解液具有高阻燃性能，同时能够优化锂离子电池的电化学性能，如循环寿命、倍率性能等。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其中，该电解液包含溶剂、锂盐、阻燃溶剂和添加剂；所述锂盐的含量为0.2～2mol/L；所述阻燃溶剂的质量占电解液总质量的0.1～70%；所述添加剂是具有负极成膜作用的添加剂，所述添加剂的质量占电解液总质量的0.1～20%。
上述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其中，所述的溶剂包含碳酸酯、羧酸酯、醚、氟代碳酸酯、氟代羧酸酯、氟代醚中的任意一种或几种的组合。
上述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其中，所述的锂盐包含LiPF6（六氟磷酸锂）、LiClO4（高氯酸锂）、LiBF4（四氟硼酸锂）、LiBOB（二草酸硼酸锂）、LiODFB（二氟二草酸硼酸锂）、LiCF3SO3（三氟甲磺酸锂）、LiN(CF3SO2)2（二(三氟甲基磺酰)亚胺锂）、LiN(C2F5SO2)2（二(全氟乙基磺酰)亚胺锂）、LiN(FSO2)2（二氟磺酰亚胺锂）中的任意一种或几种的组合。
上述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其中，所述的阻燃溶剂为烷基全氟烷基醚，其结构式为R1-O-R2，其中R1为C1～C4烷基中的任意一种，R2为C3~C7全氟代烷基中的任意一种。
上述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其中，所述的具有负极成膜作用的添加剂，包含碳酸亚乙烯酯（VC）、碳酸乙烯亚乙酯（VEC）或氟代碳酸乙烯酯（FEC）等中的任意一种或几种的组合，其他具有相似功能的添加剂也适用。
本发明还提供了一种使用上述电解液的锂离子电池，其中，所述的锂离子电池包含所述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液。
上述的锂离子电池，其中，所述的锂离子电池还包含正极材料和负极材料。
所述的正极材料优选为由以下质量分数的物质组成：85%～95%的镍钴铝酸锂、3%～10%的聚偏氟乙烯、2%～10%的导电剂，所述的质量分数是相对于正极材料总质量的质量分数。
所述的负极材料优选为由以下质量分数的物质组成：85%～95%的石墨，3%～10%的聚偏氟乙烯、2%～10%的导电剂，所述的质量分数是相对于负极材料总质量的质量分数。
所述的导电剂优选为由导电炭黑、石墨粉、碳纤维和碳纳米管中的任意一种或几种组成。
本发明提供的具有高阻燃性能与优良电化学性能的电解液及使用该电解液的锂离子电池具有以下优点：
本发明提供的电解液和锂离子电池，能够形成稳定完整的固体电极/电解液膜（SEI膜），有效地阻止电解液的进一步分解，提高了电池的循环寿命及倍率性能。
同时，电解液使用烷基全氟烷基醚做阻燃溶剂，在高温下，阻燃溶剂产生自由基F·，可以和电解液产生的氢自由基H·结合，从而避免了电解液的燃烧。
附图说明
图1为本发明的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液的实施例1和对比例制备的锂离子电池的循环特性曲线。
图2为本发明的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液的实施例1和对比例制备的锂离子电池的倍率特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的具有高阻燃性能与优良电化学性能的电解液及使用该电解液的锂离子电池，其中，该电解液包含溶剂、锂盐、阻燃溶剂和添加剂。
溶剂包含碳酸酯、羧酸酯、醚、氟代碳酸酯、氟代羧酸酯、氟代醚中的任意一种或几种的组合。
锂盐包含LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(FSO2)2中的任意一种或几种的组合。锂盐的含量为0.2～2mol/L。
阻燃溶剂为烷基全氟烷基醚，其结构式为R1-O-R2，其中R1为C1～C4烷基中的任意一种，R2为C3~C7全氟代烷基中的任意一种。阻燃溶剂的质量占电解液总质量的0.1～70%。
添加剂是具有负极成膜作用的添加剂，添加剂的质量占电解液总质量的0.1～20%。该具有负极成膜作用的添加剂，包含碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯或氟代碳酸乙烯酯等中的任意一种或几种的组合，其他具有相似功能的添加剂也适用。
本发明提供的使用上述电解液的锂离子电池，包含具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，还包含正极材料和负极材料。
正极材料优选为由以下质量分数的物质组成：85%～95%的镍钴铝酸锂、3%～10%的聚偏氟乙烯、2%～10%的导电剂，该质量分数是相对于正极材料总质量的质量分数。
负极材料优选为由以下质量分数的物质组成：85%～95%的石墨，3%～10%的聚偏氟乙烯、2%～10%的导电剂，该质量分数是相对于负极材料总质量的质量分数。
导电剂优选为由导电炭黑、石墨粉、碳纤维和碳纳米管中的任意一种或几种组成。
对比例：
本对比例提供一种锂离子电池电解液。
电解液的组成如下（以溶剂及各类添加剂质量为100%计）。
溶剂为：碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸二乙酯（DEC），三者质量比为1:1:1。
添加剂为：1.5wt.%（质量百分数）的碳酸亚乙烯酯（VC）。
电解质盐为：六氟磷酸锂LiPF6，其在电解液中的物质的量浓度为1mol/L。
本对比例中制备得到的电解液经测试易燃。
实施例1：
本实施例提供一种锂离子电池电解液。
电解液的组成如下（以溶剂及各类添加剂质量为100%计）。
溶剂为：碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）及阻燃溶剂CF3CF2CF(OCH3)CF(CF3)CF3，四者质量比为1:1:1:1。
添加剂为：1.5wt.% 碳酸亚乙烯酯（VC）。
电解质盐为：六氟磷酸锂LiPF6，其在电解液中的物质的量浓度为1mol/L。
本实施例中制备得到的电解液经测试不可点燃。
使用上述对比例及实施例1的电解液分别制备锂离子电池。
优选的正极材料组成（以正极材料质量分数为100%计）：90%的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，3%的导电炭黑Super P，2%的导电石墨KS6，5%的聚偏氟乙烯（HSV900）。
优选地负极材料的组成（以负极材料质量分数为100%计）：88%的石墨，3%的导电炭黑Super P，3%的导电石墨KS6，6%的聚偏氟乙烯（HSV900）。
正极制备：按照上述正极配方称重各原料，均匀分散于N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中，制备成正极的混合浆料，并将浆料涂布于正极电流集流体铝箔上，经过干燥辊压后得到正极极片。
负极制备：按照上述负极配方称重各原料，均匀分散于N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中，制备成负极的混合浆料，并将浆料涂布于负极电流集流体铜箔上，经过干燥辊压后得到负极极片。
电解液的制备：按照上述电解液配方称重各原料，混合配料、配置成电解液。
将上述制备的锂离子电池的正极片、负极片和电解液以及其他必要的电池组件，例如，外壳和隔膜等，在干燥空气环境（相对湿度<1%）中装配成18650型电池。
对比例及实施例1制备的18650型锂离子电池经过化成、分容后，进行常温循环测试及倍率性能测试。循环测试制度为恒流-恒压充电，0.5C倍率充电，恒压到电流为0.01C，1C倍率放电，充放电电压区间为2.75～4.2V。结果分别见图1和图2。
如图1所示，相同的环境下，相同的充放电制度，对比例和实施例1中的电池循环充放电500周。对比例电池首周放电容量为1584.3mAh，500周放电容量为1518.7mAh，容量保持率为95.86%。实施例1电池首周放电容量为1525.5mAh，500周放电容量为1474.5mAh，容量保持率为96.66%。阻燃溶剂CF3CF2CF(OCH3)CF(CF3)CF3参与形成更加稳定的SEI膜，因而循环性能提高。
如图2所示，相同的环境下，相同的充放电制度，对比例和实施例1中的电池分别进行倍率放电测试。充电电流倍率均为0.1C。以0.1C放电平均容量为100%，对比例在不同倍率下放电的平均容量保持率分别为：0.3C（97.4%），0.5C（95.3%），1C（90.7%），2C（90.1%），3C（89.6%）。以0.1C放电平均容量为100%，实施例1在不同倍率下放电的平均容量保持率分别为：0.3C（99.5%），0.5C（95.7%），1C（92.8%），2C（92.2%），3C（93.2%）。相对于对比例，实施例1中电池的倍率放电容量保持率明显高，尤其高倍率放电性能更优越，可见阻燃溶剂CF3CF2CF(OCH3)CF(CF3)CF3的加入更有利于电池倍率放电性能的提升。
本发明提供的具有高阻燃性能与优良电化学性能的电解液及使用该电解液的锂离子电池，用阻燃溶剂部分或完全取代传统有机溶剂，可以有效地降低电解液的易燃性能，使得电解液难燃或不燃，从而提高锂离子电池的安全性能。阻燃溶剂还参与形成更加稳定的电极/电解液界面（SEI）膜，相比未添加阻燃溶剂的电解液体系，添加阻燃溶剂的锂离子电池具有更高的循环性能和倍率性能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其特征在于，该电解液包含溶剂、锂盐、阻燃溶剂和添加剂；
所述锂盐的含量为0.2～2mol/L；
所述阻燃溶剂的质量占电解液总质量的0.1～70%；
所述添加剂是具有负极成膜作用的添加剂，所述添加剂的质量占电解液总质量的0.1～20%。
2.如权利要求1所述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其特征在于，所述的溶剂包含碳酸酯、羧酸酯、醚、氟代碳酸酯、氟代羧酸酯、氟代醚中的任意一种或几种的组合。
3.如权利要求1所述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其特征在于，所述的锂盐包含LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(FSO2)2中的任意一种或几种的组合。
4.如权利要求1所述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其特征在于，所述的阻燃溶剂为烷基全氟烷基醚，其结构式为R1-O-R2，其中R1为C1～C4烷基中的任意一种，R2为C3~C7全氟代烷基中的任意一种。
5.如权利要求1所述的具有高阻燃性能及电化学性能的电解液，其特征在于，所述的具有负极成膜作用的添加剂，包含碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯或氟代碳酸乙烯酯中的任意一种或几种的组合。
6.一种使用如权利要求1~5中任意一项所述的电解液的锂离子电池，其特征在于，所述的锂离子电池中包含所述的电解液。
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