CN104157903A - 一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液及制备方法与应用 - Google Patents

一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液及制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池领域，公开了一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液及其制备方法与应用。所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液是在常规锂离子电池电解液中加入功能添加剂氟化苯基磺酸酯类得到的；其中普通电解液由环状碳酸酯溶剂、线性碳酸酯溶剂和导电锂盐构成。本发明使用的功能添加剂在3～5.0V的充放电体系中，在正极表面形成一层更薄更稳定具有保护性能的膜，一方面抑制了高电压下电解液的氧化分解，另一方面保护正极材料，从而提高了高电压锂离子电池的循环性能和安全性能。

Description

一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液及制备方法与应用
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液及制备方法与应用。
背景技术
目前，商业用锂离子电池的正极材料有锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料这几种，充电截止电压一般都不超过4.2V，随着科技的进步及市场的不断发展，提升锂电池的能量密度日益显得重要和迫切。除了现有材料和电池生产工艺的改进之外，高电压(5V)正极材料是比较热门的研究方向之一，主要是通过提升正极活性材料的充电深度来实现电池的高能量密度。
然而，提高正极材料电压的同时，电池的充放电循环等性能却在下降，一方面原因正极材料不够稳定，另一方面即是电解液的匹配问题，普通电解液在5V的高电压下会在正极表面发生氧化分解，电解液的氧化分解反应同时也会促使正极材料的破坏。所以，开发耐高电压的电解液有着重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液；
本发明的另一目的在于提供上述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液的制备方法；
本发明的再一目的在于提供上述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，包括常规锂离子电池电解液，所述常规锂离子电池电解液由环状碳酸酯溶剂、线性碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；还包括功能添加剂，所述功能添加剂为氟化苯基磺酸酯类。
所述常规锂离子电池电解液可按照本领域现有技术的常规组分及方法制备得到。
优选的，所述功能添加剂的添加量相当于所述常规锂离子电池电解液质量1～5％；
优选的，所述氟化苯基磺酸酯类含有氟、磺酸基和苯基，结构式如式1、式2或式3所示：
式1：式2：
式3：在式1、式2或式3中，n＝0～9，m＝0～9，x＝0～3；
优选的，所述常规锂离子电池电解液中，环状碳酸酯溶剂和线性碳酸酯溶剂的质量比为(1:3)～(3:2)；导电锂盐在所述常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8～1.2mol/L；
优选的，所述的环状碳酸酯溶剂为碳酸乙烯酯(EC)；
优选的，所述的线性碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)或碳酸甲丙酯(MPC)中的至少一种；
优选的，所述的导电锂盐为LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N或LiC(CF3SO2)3中的至少一种。
上述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液的制备方法，包括如下步骤：
(1)将环状碳酸酯溶剂和线性碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温条件下，将导电锂盐加入所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；
(2)在步骤(1)得到的常规锂离子电池电解液中加入功能添加剂，得到高电压锂离子电池碳酸酯基电解液；所述功能添加剂为氟化苯基磺酸酯类。
优选的，步骤(1)中所述的环状碳酸酯溶剂和所述的线性碳酸酯溶剂的质量比为(1:3)～(3:2)；
优选的，步骤(1)中所述的环状碳酸酯溶剂为碳酸乙烯酯(EC)；
优选的，步骤(1)中所述的线性碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)或碳酸甲丙酯(MPC)中的至少一种；
优选的，步骤(1)中所述的导电锂盐在常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8～1.2mol/L；
优选的，步骤(1)中所述的导电锂盐为LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N或LiC(CF3SO2)3中的至少一种；
优选的，步骤(1)中所述的纯化除杂、除水通过分子筛、活性碳、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或者碱土金属中的任意一种或者至少两种进行处理；
优选的，步骤(1)中所述的分子筛采用或型；
优选的，步骤(1)中所述室温的范围为25～40℃；
优选的，步骤(2)中所示功能添加剂的添加量相当于常规锂离子电池电解液质量的1％～5％。
所述的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液应用于制造高电压锂离子电池。所得的高电压锂离子电池具有良好的充放电性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明使用的功能添加剂在3～5.0V的充放电体系中，对比常规锂离子电池电解液，能够在正极表面形成一层更薄更稳定具有保护性能的膜，通过这层膜，一方面地抑制了高电压下电解液溶剂组分进一步地氧化分解，另一方面在一定程度上减少了正极材料的溶出现象，有效地保护了正极材料，从而提高了高电压锂离子电池的循环性能和安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例3与对比实施例制备的电解液制作的锂离子电池循环150圈的充放电对比图。
图2是本发明实施例3与对比实施例制备的电解液制作的锂离子电池循环150圈后的交流阻抗对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按质量比EC:DMC＝1:1混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温25℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为1.0mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的2％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例2
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按照质量比EC:DMC＝1:2混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温28℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的1％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例3
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按质量比EC:DMC＝1:3混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温28℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为1.0mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的1％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例4
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸甲乙酯(EMC)按照质量比EC:EMC＝1:2混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温30℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为1.0mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的1％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例5
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸甲乙酯(EMC)按照质量比EC:EMC＝1:1混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温25℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的2％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例6
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按照质量比EC:DMC＝3:2混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温35℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为1.0mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的1％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例7
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸甲乙酯(EMC)按照质量比EC:EMC＝3:2混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温40℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的2％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
实施例8
一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其制备方法如下：
(1)将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按照质量比EC:DMC＝1:2混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温25℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；其中，导电锂盐LiPF6在常规锂离子电池电解液中的终浓度为1.2mol/L；
(2)在步骤(1)制备的常规锂离子电池电解液中添加氟化苯基磺酸酯类，氟化苯基磺酸酯类的用量为常规锂离子电池电解液质量的5％，得到所述高电压锂离子电池碳酸酯基电解液。
对比实施例
一种锂离子电池电解液，其制备方法如下：
将环状碳酸酯溶剂碳酸乙烯酯(EC)和线性碳酸酯溶剂碳酸二甲酯(DMC)按质量比EC:DMC＝1:1混合，并采用分子筛、氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温25℃条件下，将导电锂盐LiPF6溶解在所述混合溶剂中，导电锂盐LiPF6的终浓度为1.0mol/L，搅拌均匀，得到所述锂离子电池电解液。
效果比较：
将实施例3制备的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液和对比实施例制备的锂离子电池电解液进行比较：
(1)图1是本发明实施例3的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液与对比实施例制备的锂离子电池电解液分别制作的锂离子电池循环150圈的充放电对比图。测试方法为：用镍锰酸锂做工作电极，锂片做对电极，添加实施例3制备得到的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液或对比实施例制备得到的锂离子电池电解液各30μL，然后装配成电池后在蓝电电池测试系统(中国)进行充放电测试。在室温25℃下，以1C的充放倍率在3～5.0V范围间充放电循环150圈后，测定充放电性能。由图1可知，在循环150圈后，实施例3的电解液产物相比对比实施例的电解液产物有着更好的循环稳定性。
(2)图2是本发明实施例3的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液与对比实施例制备的锂离子电池电解液分别制作的锂离子电池循环150圈后的交流阻抗对比图。测试方法为：用镍锰酸锂做工作电极，锂片做对电极，添加实施例3制备得到的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液或对比实施例制备得到的锂离子电池电解液各30μL，然后装配成电池后在Autolab电化学工作站(荷兰)进行交流阻抗测试。在室温25℃下，以1C的充放倍率在3～5.0V范围间充放电循环150圈后，测定电极表面阻抗的变化。由图2可知，实施例3制备得到的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液形成的正极膜的阻抗比对比实施例得到的锂离子电池电解液形成的正极膜的阻抗小，进一步说明功能添加剂氟化苯基磺酸酯类能在正极表面形成致密，稳定的正极膜。
将其余实施例所得的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液分别与对比实施例的锂离子电池电解液作与上述相同项目的分析，结果与上述检测结果相近，均相比对比实施例的锂离子电池电解液有更好的性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，包括常规锂离子电池电解液，所述常规锂离子电池电解液由环状碳酸酯溶剂、线性碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；其特征在于：还包括功能添加剂，所述功能添加剂为氟化苯基磺酸酯类。
2.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其特征在于：所述功能添加剂的添加量相当于所述常规锂离子电池电解液质量1％～5％；
所述氟化苯基磺酸酯类含有氟、磺酸基和苯基，结构式如式1、式2或式3所示：
式1：式2：
式3：
在式1、式2或式3中，n＝0～9，m＝0～9，x＝0～3。
3.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其特征在于：所述常规锂离子电池电解液中，环状碳酸酯溶剂和线性碳酸酯溶剂的质量比为(1:3)～(3:2)；导电锂盐在所述常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8～1.2mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种高电压锂离子电池碳酸酯基电解液，其特征在于：所述的环状碳酸酯溶剂为碳酸乙烯酯；所述的线性碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯或碳酸甲丙酯中的至少一种；所述的导电锂盐为LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N或LiC(CF3SO2)3中的至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将环状碳酸酯溶剂和线性碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水，得到混合溶剂；在室温条件下，将导电锂盐加入所述混合溶剂中，搅拌均匀，得到常规锂离子电池电解液；
(2)在步骤(1)得到的常规锂离子电池电解液中加入功能添加剂，得到高电压锂离子电池碳酸酯基电解液；所述功能添加剂为氟化苯基磺酸酯类。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中环状碳酸酯溶剂和线性碳酸酯溶剂的质量比为(1:3)～(3:2)；所述导电锂盐在所述常规锂离子电池电解液中的终浓度为0.8～1.2mol/L。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的环状碳酸酯溶剂为碳酸乙烯酯；步骤(1)中所述的线性碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯或碳酸甲丙酯中的至少一种；步骤(1)中所述的导电锂盐为LiPF6、LiBOB、LiSO3CF3、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N或LiC(CF3SO2)3中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的纯化除杂、除水通过分子筛、活性碳、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或者碱土金属中的任意一种或者至少两种进行处理；所述的分子筛采用或型；
步骤(1)中所述室温的范围为25～40℃。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述功能添加剂的添加量相当于常规锂离子电池电解液质量的1％～5％。
10.根据权利要求1～4任一项所述的高电压锂离子电池碳酸酯基电解液在制造高电压锂离子电池中的应用。
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