CN104009255B - 一种非水电解液及其制备方法以及一种锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非水电解液及其制备方法以及一种锂离子电池，电解液主要包括：有机溶剂、导电锂盐和添加剂，有机溶剂为环状碳酸酯溶剂、芳香烃溶剂和线性溶剂的一种以上组成，导电锂盐在有机溶剂中的浓度为0.8‑1.5mol/L，添加剂的用量为有机溶剂重量的0.1‑10.0%，添加剂为噻吩基异氰酸酯化合物。电解液中添加了上述添加剂后能够在电池的电极表面优先于电解液发生反应形成界面膜，改善电极/电解液界面性质，抑制电解液在电极材料表面的氧化或者还原分解，提高电解液与电极的兼容性，并且能够减少过渡金属从正极上的溶出，抑制过渡金属在负极上的沉积和还原，保护电极材料。

Description

一种非水电解液及其制备方法以及一种锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备领域，具体涉及一种非水电解液及其制备方法，和采用该电解液制备的一种锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因其比能量高、循环寿命长等优点而成为目前发展最快亦最受重视的新型高能蓄电池。锂离子电池主要由正、负电极材料、隔膜、电解液材料组成。
目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种，负极材料主要有石墨系材料、软碳材料(焦炭)和硬碳材料，隔膜主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)单层微孔膜，以及由PP和PE复合的多层微孔膜。锂离子电池有机电解质发展至今，应用最广泛的是将导电锂盐LiPF6溶解在环状碳酸酯如：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙稀酯(PC)，和链状碳酸酯如：碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等混合溶剂中形成。然而，目前有机电解液存在的自身稳定性和安全性隐患越来越不能满足锂离子电池向高能量密度、长循环寿命以及高安全性等方向的发展需要。如：(1)碳酸酯溶剂与石墨负极不兼容，如在PC充电过程中会与Li+在石墨上发生共嵌，引起结构发生剥落，恶化电池性能；(2)导电锂盐LiPF6在较高的温度下(～60℃)会发生热分解产生少量HF，产生的游离酸使电解液酸化，导致正极材料如Mn、Ni过渡金属原子发生溶解，同时HF会对电极集流体发生腐蚀，降低电池的性能；(3)碳酸酯基电解液在电池电压高于4.5V时容易发生氧化分解，造成电池性能的降低，无法用于高电压锂离子电池体系中。
研究发现，通过改善锂离子电池电极/电解液界面性质，可以有效解决锂离子电池电解液的相关问题。为此研究人员通过开发新型有机溶剂增加电解液的稳定性，如砜类溶剂(K.Xu等J.Eletrochem.Soc.155(2008)A959-A964)和腈类溶剂(中国专利CN201310279185)。但这些溶剂存在与石墨负极不兼容和离子电导率低等问题而受到了限制。另外，开发新型成膜添加剂能够有效改善界面膜性质，提高电池的电化学性能。如应用较成功的负极成膜添加剂碳酸亚乙烯酯(VC)。该添加剂能够在负极优先于有机电解液发生还原分解形成良好的界面膜，抑制电解液的分解，提高电极的可逆容量和稳定性。但是VC容易发生聚合并且在正极表面能发生氧化反应产生CO2，影响电池的性能。近年来，由于高电压锂离子电池的开发，对正极界面膜的研究逐渐受到关注，如联苯(BP)、呋喃(DHF)和腈类化合物。这些物质能够在正极表面优先发生氧化形成界面膜，这层膜可以避免活性正极材料与电解液的直接接触，减少电解液的氧化分解。然而目前对锂离子电池电解液正极成膜电解液添加剂的种类仍较少，效果单一。因而开发有效的多功能性电解液添加剂对改善电池正负极/电解液界面性质具有重要意义。
发明内容
鉴于背景技术所存在的问题，本发明的首要目的在于提供一种非水电解液的及其制备方法，本发明在非水电解液中添加了上述添加剂后能在负极表面形成界面膜，抑制有机碳酸酯在电极上的还原，提高电池的充放电效率。同时添加剂的加入能够改善正极/电解液界面性质，降低电极/电解液界面阻抗，有利于提高锂离子电池的循环寿命、高温高电压性能和抑制电池的气胀。
本发明的另一目的在于提供上述非水电解液制备的一种锂离子电池。
本发明通过以下技术方案实现：
一种非水电解液，包括有机溶剂、导电锂盐和添加剂，其中：所述有机溶剂选为环状碳酸酯和线型碳酸酯的一种以上，所述添加剂结构式如下：
R1-R4为氢、卤素、C1-C4的烷基及其卤代烷基、C1-C4的烯基、烷氧基、羧基、苯环、卤代苯官能团的任一种，n为0至5的整数。
所述导电锂盐在有机溶剂中的浓度为0.8-1.5mol/L。
所述添加剂的用量为有机溶剂重量的0.1-10.0％。
所述有机溶剂中的环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、γ-丁内酯和γ-戊內酯中的一种以上。
所述有机溶剂中的线型碳酸酯为碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯，碳酸二乙酯，乙酸乙酯、碳酸甲丙酯中的一种以上。
所述导电锂盐为LiPF6、LiBF4、LiSO3CF3、Li(CF3SO2)2N、LiC(CF3SO2)3中的一种以上。
所述添加剂为2-噻吩异氰酸酯、异氰酸-2-(2-噻吩基)乙基酯、4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯中的一种以上。
所述电解液还包含常用添加剂，所述常用添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、丙磺酸内酯、丁磺酸内酯、己二腈、丁二腈、LiBOB、LiODFB中的一种以上，所述的常用添加剂占非水电解液总质量的0.1-5.0％。
一种电解液制备方法：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂，并搅拌均匀；
(4)加入添加剂，制得以上所述的非水电解液。
一种锂离子电池，包括正极活性材料、负极活性材料、隔膜和上述的非水电解液，其中：正极活性材料为一种含锂过渡金属氧化物，正极活性材料为以下物质的一种以上：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1,0<b<1，0<c<1，a+b+c＝1)、LiNi1- yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≤y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2，0<b<2，0<c<2，a+b+c＝2)、LiMn2-zNizO4、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiMx(PO4)y(M为Ni、Co、Mn、Fe、Ti、V，0≤x≤5，0≤y≤5)；
负极活性材料为可嵌入/脱出锂离子的碳材料、锂金属、硅或锡及其氧化物中的一种以上；
隔膜为自织布、无纺布、合成树脂微多孔膜的任一种。
本发明的优点在于：
(1)加入添加剂噻吩基异氰酸酯化合物，通过分子轨道理论计算，具有比碳酸酯电解液更低的最低空轨道能级和更高的最高占据轨道能级。
(2)添加剂噻吩基异氰酸酯化合物能够在电池的电极表面优先于电解液发生反应形成界面膜，改善电极/电解液界面性质，抑制电解液在电极材料表面的氧化或者还原分解，提高电解液与电极的兼容性。
(3)能够减少过渡金属从正极上的溶出，抑制过渡金属在负极上的沉积和还原，保护电极材料。通过以上方法制备的电解液有利于提高锂离子电池的循环寿命、高温高电压性能和抑制电池的气胀。
具体实施方式
下面通过示例性的实施例对本发明进行进一步的阐述；但本发明的范围不应局限于实施例的范围，任何不偏离本发明主旨的变化或改变能够为本领域的技术人员所理解，都在本发明的保护范围以内。
实施例1
一种锂离子电池电解液，主要包含如下原料：有机溶剂、导电锂盐和添加剂，所述有机溶剂由环状碳酸酯溶剂(EC)和线型碳酸酯溶剂(DEC)组成，EC及DEC的重量比为EC：DEC＝1:2，所述导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯，所述添加剂为2-噻吩异氰酸酯，用量为有机溶剂重量的2.0wt.％，所述添加剂的化学式如下：
电解液的配制方法是：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂碳酸亚乙烯酯和丙磺酸内酯，并搅拌均匀。
(4)加入添加剂2-噻吩异氰酸酯，即得本实施例所述高电压锂离子电池电解液。
将本发明的高电压锂离子电池电解液用于钴酸锂/石墨软包装电池，测试钴酸锂/石墨软包装电池在常温环境下3.0-4.2V，1C倍率充放电的循环性能。
实施例2
一种锂离子电池电解液，主要包含如下原料：有机溶剂、导电锂盐和添加剂，所述有机溶剂由环状碳酸酯溶剂(PC、EC和氟代碳酸乙烯酯FEC)和线型碳酸酯溶剂(DEC)组成，PC、EC及DEC的重量比为PC：EC：DEC＝1:2:7，FEC的用量为有机溶剂重量的5.0wt.％，所述导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯，所述添加剂为2-噻吩异氰酸酯，用量为有机溶剂重量的2.0％，所述添加剂的化学式如下：
电解液的配制方法是：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂碳酸亚乙烯酯和丙磺酸内酯，并搅拌均匀。
(4)加入添加剂2-噻吩异氰酸酯，即得本实施例所述高电压锂离子电池电解液。
将本发明的高电压锂离子电池电解液用于钴酸锂/石墨软包装电池，测试钴酸锂/石墨软包装电池在常温环境下3.0-4.4V，1C倍率充放电的循环性能。
实施例3
一种锂离子电池电解液，主要包含如下原料：有机溶剂、导电锂盐和添加剂，所述有机溶剂由环状碳酸酯溶剂(PC、EC和FEC)和线型碳酸酯溶剂(EMC)组成，PC、EC及EMC的重量比为PC：EC：EMC＝1:2:7，FEC的用量为有机溶剂重量的5.0wt.％，所述导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯，所述添加剂为异氰酸-2-(2-噻吩基)乙基酯，用量为有机溶剂重量的3.0wt.％，所述添加剂的化学式如下：
电解液的配制方法是：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂碳酸亚乙烯酯和丙磺酸内酯，并搅拌均匀。
(4)加入添加剂异氰酸-2-(2-噻吩基)乙基酯，即得本实施例所述高电压锂离子电池电解液。
将本发明的高电压锂离子电池电解液用于钴酸锂/石墨软包装电池，测试钴酸锂/石墨软包装电池在常温环境下3.0-4.2V，1C倍率充放电的循环性能。
实施例4
一种锂离子电池电解液，主要包含如下原料：有机溶剂、导电锂盐和添加剂，所述有机溶剂由环状碳酸酯溶剂(EC)和线型碳酸酯溶剂(DEC)组成，EC及DEC的重量比为EC：DEC＝1:2，所述导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯，所述添加剂为4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯，用量为有机溶剂重量的3.0wt.％，所述添加剂的化学式如下：
电解液的配制方法是：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂碳酸亚乙烯酯和丙磺酸内酯，并搅拌均匀。
(4)加入添加剂4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯，即得本实施例所述高电压锂离子电池电解液。
将本发明的高电压锂离子电池电解液用于钴酸锂/石墨软包装电池，测试钴酸锂/石墨软包装电池在常温环境下3.0-4.2V，1C倍率充放电的循环性能。
实施例5
一种高电压锂离子电池电解液，主要包含有机溶剂、导电锂盐和添加剂，所述有机溶剂由环状碳酸酯溶剂(EC)和线型碳酸酯溶剂(DEC)组成，EC及线型碳酸酯的重量比为EC：DEC＝1:2。所述导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯，所述添加剂为用量占有机溶剂重量2.0wt.％的2-噻吩异氰酸酯，以及用量占有机溶剂重量1.0wt.％的4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯。
电解液的配制方法是：
(1)将有机溶剂按比例混合后用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水；
(2)在室温条件下，将导电锂盐溶解在上述有机溶剂中，并搅拌均匀；
(3)加入常用添加剂碳酸亚乙烯酯和丙磺酸内酯，并搅拌均匀。
(4)加入添加剂2-噻吩异氰酸酯和4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯，即得本实施例所述高电压锂离子电池电解液。
将本发明的高电压锂离子电池电解液用于钴酸锂/石墨软包装电池，测试钴酸锂/石墨软包装电池在常温环境下3.0-4.35V，1C倍率充放电的循环性能，以及在60℃下满电态的储存性能。
对比例1
本对比例的锂离子电池电解液，主要包含如下原料：有机溶剂(EC及DEC，EC及DEC的重量比为EC：DEC＝1:2)，导电锂盐LiPF6在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，所述常用添加剂为1.0wt.％用量的碳酸亚乙烯酯和用量为1.0wt.％的丙磺酸内酯。
实施例的应用实验
充放电测试条件：
为了测量使用本发明制得的电解液的电池充放电性能，进行以下操作：按照常规方法制备钴酸锂正极片、石墨负极片，使用实施例1制备得到电解液在手套箱中注液使用上述极片制备053048型软包装电池，用新威(BS-9300R型)电池测试系统对制备的053048型电池进行充放电测试，同时与对比例电解液制备的电池进行比较。电池在电压3.0-4.2V和3.0-4.5V的范围以1C充放电倍率循环，结果参见表1。
表1 是实施例的测试结果：
通过以上数据可以明显看出，添加剂对锂离子电池容量保持率影响明显，本发明采用噻吩基异氰酸酯化合物作为电解液添加剂具有突出的优势。
以上仅是针对本发明的可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (7)

1.一种非水电解液，包括有机溶剂、导电锂盐和添加剂，其中：所述有机溶剂选为环状碳酸酯和线型碳酸酯的一种以上，添加剂为2-噻吩异氰酸酯、异氰酸-2-(2-噻吩基)乙基酯、4-甲基-2-噻吩基异氰酸酯中的一种以上。
2.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述导电锂盐在有机溶剂中的浓度为0.8-1.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述添加剂的用量为有机溶剂重量的0.1-10.0％。
4.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述有机溶剂中的环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、γ-丁内酯和γ-戊內酯中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述有机溶剂中的线型碳酸酯为碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯，碳酸二乙酯，乙酸乙酯、碳酸甲丙酯中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述导电锂盐为LiPF6、LiBF4、LiSO3CF3、Li(CF3SO2)2N、LiC(CF3SO2)3中的一种以上。
7.根据权利要求1所述的非水电解液，其中：所述电解液还包含常用添加剂，所述常用添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、丙磺酸内酯、丁磺酸内酯、己二腈、丁二腈、LiBOB、LiODFB中的一种以上，所述的常用添加剂占非水电解液总质量的0.1-5.0％。
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