CN104505535A - 一种高电压锂离子电池的非水电解液 - Google Patents

一种高电压锂离子电池的非水电解液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电压锂离子电池的非水电解液，由溶剂、无机锂盐、氟代酯类添加剂、磺酸内酯类添加剂、有机三腈类添加剂、双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐和锂电池电解液添加剂组成；其中，溶剂100重量份；氟代碳酸酯类添加剂0.2-10重量份；腈类添加剂0.2-10重量份；双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐添加剂量为0.2-10份重量；常用锂电池电解液添加剂0-10重量份；溶剂为环状碳酸酯和/或链状碳酸酯，无机锂盐在溶剂中的摩尔浓度为0.8-1.5mol/L。本发明通过磺酸内酯类添加剂、氟代碳酸酯类添加剂、双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐和有机三腈类添加剂的联合使用，可以提高电解液在初次化成时的SEI膜的耐氧化性，明显改善高电压电解液常温及高温循环性能。

Description

一种高电压锂离子电池的非水电解液
[技术领域]
本发明涉及锂离子电池的电解液，尤其涉及一种高电压锂离子电池的非水电解液。
[背景技术]
目前使用的锂离子电池正极材料，如LiCo02、LiMn2O4,LiCoNiMnO2,LiFePO4等工作电压低在4V以下，克容量为90-150mg/g。提升电池能量密度的办法主要有两种，一种是提高传统正极材料的充电截止电压，例如将钴酸锂充电电压提升至4.35V或4.4V，其电池的容量可以提升15％左右。但靠提升充电截止电压的办法是有限的，进一步的提升会导致钴酸锂过度脱锂，结构的稳定性降低。另一种是采用较高容量的材料,例如采用硅或一些合金材料,但目前这类材料对电解液相容性非常差，循环性能很难保证。
但是，随着工作电压及充电截止电压的提高，正极材料的氧化活性提高，正极活性物质与电解液的反应也随之加速，导致电池在高电压下气胀严重，循环性能降低，严重制约了正极材料性能的发挥。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种充放电循环性能优良的高电压锂离子电池的非水电解液。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种高电压锂离子电池的非水电解液，由溶剂、无机锂盐、磺酸内酯类添加剂、双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐、氟代酯类添加剂、有机三腈类添加剂和锂电池电解液添加剂组成；其中，
溶剂为环状碳酸酯和/或链状碳酸酯，无机锂盐在溶剂中的摩尔浓度为0.8-1.5mol/L。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或γ-丁内酯中的至少一种。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯和碳酸乙丙酯中的至少一种。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的氟代碳酸酯类添加剂为氟代碳酸乙烯酯和/或二氟代碳酸乙烯酯。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐添加为双五氟乙基磺酸亚胺锂、三氟甲基五氟乙基磺酸亚胺锂、双三氟甲基磺酸亚胺锂或双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一种。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的有机三腈类添加为1,3,5戊三甲腈、1,2,3丙三甲腈或1,3,6己烷三腈中的至少一种。
以上所述的高电压锂离子电池非水电解液，所述的磺酸内酯类添加剂包含1,3丙烯磺酸内酯(21806-61-1)，1,3丙磺酸内酯，1,8萘磺酸内酯(83-31-8)或1,4丁磺酸内酯(1633-83-6)。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述无机锂盐为LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAsF6、LiBOB，LiDFOB或LiPF4C204中的至少一种。
以上所述的高电压锂离子电池的非水电解液，常用锂电池电解液添加剂包括碳酸亚乙烯酯，乙烯基碳酸乙烯酯，硫酸乙烯酯,亚硫酸乙烯酯、1,3丙磺酸内酯、1,4丁磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、1,4-丁二醇硫酸酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯、丁二腈、己二腈、戊二腈3,3'-氧二丙腈、乙二醇双(丙腈)醚或1,2,3-三(2-氰氧基)丙烷中的至少一种。
本发明通过双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐、磺酸内酯类添加剂、氟代碳酸酯类添加剂和有机醚腈类添加剂的联合使用，可以提高电解液的浸润性、在初次化成时的SEI膜的耐氧化性，明显改善高电压电解液常温及高低温循环性能。
[具体实施方式]
本发明的高电压锂离子电池的非水电解液由溶剂、无机锂盐、磺酸内酯类添加剂、双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐、氟代酯类添加剂、有机三腈类添加剂和锂电池电解液添加剂组成。其中，溶剂100重量份；双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐0.2-10重量份；磺酸内酯类添加剂0.2-10重量份；氟代碳酸酯类添加剂0.2-10重量份；有机三腈类添加剂0.2-10重量份；常用锂电池电解液添加剂0-5重量份；溶剂为环状碳酸酯和/或链状碳酸酯，无机锂盐在溶剂中的摩尔浓度为0.8-1.5mol/L。
双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐用于化成及循环过程中在负极表面形成稳定的SEI膜，以保证电池具有优异的循环性能，其形成的SEI膜中含有硫化合物，形成SEI具有较好热稳定性，因此表现出较好的高温储存性能及高温循环性能。
磺酸内酯类添加剂用于在化成及循环过程中在负极表面形成稳定的SEI膜，具有良好的高温行呢，其中相对于常规高温成膜添加剂1,3丙磺酸内酯，1,3丙烯磺酸内酯则具有更好的高温储存效果。
氟代碳酸酯类添加剂借助F元素的吸电子效应，还有利于提高溶剂分子在碳负极表面的还原电位，优化固体电解质界面膜，改善电解液与活性材料的相容性，进而稳定电极的电化学性能，具有较好的耐抗氧化能力，可以显著改善高电压电池的循环性能。
虽然有机醚腈类物质能够抑制电解液的分解，抑制胀气，并可以捕获溶出的金属离子，但是在正极成膜后，正极阻抗变大，循环性能有所降低。因此，腈类的添加量选择为0.2-10重量份，虽然FEC可以改善循环性能，但是FEC在高温下会产生HF，HF对电解液溶剂的分解有催化作用，因而加入FEC会使得电池的高温存储性能变差。因此，FEC的添加量选择为0.2-10重量份。
有机三腈类物质能吸收少量水和HF，形成酰胺类物质，降低由于HF和POF3等的催化，使电解液溶剂分解造成的高温胀气；腈类物质在首次充放电过程中会在正极表面形成稳定膜，有效抑制正极氧化电解液，从而抑制高温胀气。由于有机三腈类添加剂活性比丁二腈、己二腈要高，因此具有更好的高温性能。
以上四种添加剂的联合使用可以显著改善电解液在高电压条件下的正负极SEI膜的稳定性，有效抑制溶剂氧化分解，从而提高电解液在高电压条件下的循环性能。
无机锂盐为LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAsF6、、LiBOB，LiDFOB、LiPF4C204中的一种或两种以上任意混合，浓度为0.8～1.5mol/L。
环状碳酸酯优选为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、和γ-丁内酯(GBL)中的至少一种；
链状碳酸酯优选为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)和碳酸乙丙酯(EPC)中的至少一种。
双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐添加为双五氟乙基磺酸亚胺锂(Li(C2F5SO2)2N)、三氟甲基五氟乙基磺酸亚胺锂(Li(CF3SO2)(C2F5SO2)N)、双三氟甲基磺酸亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)中的至少一种。
有机三腈类添加为1,3,5戊三甲腈(4379-04-8)、1,2,3丙三甲腈(62872-44-0)、1,3,6己烷三腈(1772-25-4)中的至少一种。
常用锂电池电解液添加剂包括碳酸亚乙烯酯(VC)，乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)，硫酸乙烯酯(DTD),亚硫酸乙烯酯(ES)、1,3丙磺酸内酯、1,4丁磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、1,4-丁二醇硫酸酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯、丁二腈(110-61-2)、己二腈(111-69-3)、戊二腈(544-13-8)3,3'-氧二丙腈(CAS:1656-48-0)、乙二醇双(丙腈)醚(CAS:3386-87-6)、1,2,3-三(2-氰氧基)丙烷(2465-93-2)中的至少一种。
实施例1
在BRAUN手套箱中配制电解液，手套箱中充满纯度为99.999％的氮气，手套箱中水分控制在≤5ppm，温度在室温。将30克EC，70克EMC，混合均匀，密封，放入冰箱中待其冷却至8℃后，转移至手套箱中，然后分两批加入LiPF6充分混合，形成锂盐摩尔浓度为1mol/L的锂离子电池的非水电解液，在以上非水电解液中加入溶剂总质量3％的FEC，2％LIFSI，3％丙磺酸内酯，2％的1,2,3丙三甲腈1.5，均匀混合后，得到高电压锂离子非水电解液。
以下其他实施例及对比例的配制方法参照实施例1的配制方法进行。
其中，FEC(CAS:114435-02-8)、1,3,5戊三甲腈(4379-04-8)、1,2,3丙三甲腈(62872-44-0)、1,3,6己烷三腈(1772-25-4)、1,3丙烯磺酸内酯(21806-61-1)，1,3丙磺酸内酯，1,8萘磺酸内酯(83-31-8),1,4丁磺酸内酯(1633-83-6)、1,4丁磺酸内酯(CAS:1633-83-6)、甲烷二磺酸亚甲酯(CAS:99591-74-9)、1,4-丁二醇硫酸酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯(CAS:21806-61-1)等材料购自于百灵威科技有限公司，DFEC(CAS:311810-76-1)，购自苏威(上海)有限公司,双五氟乙基磺酸亚胺锂(Li(C2F5SO2)2N)、三氟甲基五氟乙基磺酸亚胺锂(Li(CF3SO2)(C2F5SO2)N)、双三氟甲基磺酸亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)购自苏州亚科化学试剂股份有限公司。
表1：实施例1-5的组分含量表
表2：对比例1-3的组分含量表
性能测试
正极片的制备：制备锂离子电池的正极极片：将质量百分比为3％的聚偏氟乙烯(PVDF)溶解于1-甲基-9-吡咯烷酮溶液中，将质量百分比96％的钴酸锂(LiCoO2)、质量百分比3％导电剂炭黑加入上述溶液并混合均匀，将混制的浆料涂布在铝箔构成的正极集流体的两面后，烘干压制作为正极极片，正极的压实密度为4.05g/cm3。
负极极片的制备：将质量百分比为4％SBR(聚苯乙烯、丁二烯悬浮液)的粘结剂、质量百分比为1％CMC(羧甲基纤维素钠)的增稠剂溶于水溶液中，将质量百分比为95％石墨加入上述溶液，混合均匀，将混制的浆料涂布在铜箔构成的负极集流体的两面后，烘干压制作为负极极片。
干电芯以高压钴酸锂为正极，以石墨为负极，微孔聚乙烯薄膜为隔膜制成方形干电芯。将干电芯在80-85℃烘箱烘干48小时后移入手套箱待用。分别将上述各实施例和对比例所得电解液注入上述烘干好的干电芯，然后静置24小时，预充一次化成，封口，二次化成后，得到实施例和对比例实验电池。
高电压循环性能测试在室温25±2℃，相对湿度45-75％的条件下对实施例和对比例实验电池进行3-4.35V电池循环性能测试，测试步骤为：a.1C恒流充电到4.35V，然后恒压充电至截止电流0.05C；静置10分钟；b.1C恒流放电到3.0V，静置10分钟；c.循环步骤a和b，循环次数为300-400次。测试结果见附表1。
高温储存性能测试，在室温25±2℃，相对湿度45-75％的条件下对实施例和对比例实验电池进行3-4.35V电池循环性能测试，测试步骤为：a.1C恒流充电到4.35V，然后恒压充电至截止电流0.05C测试电池厚度；b将电池转移至60℃恒温箱中，储存7天后测试电池冷却后厚度，计算冷测厚度膨胀率。
从表2高电压循环性能测试数据及60℃7天高温储存数据可知，采用本发明非水电解液的实施例电池300次循环后的容量保持率大于80％,60°7天的厚度膨胀率在3％以下，满足电池的实际使用需求；而采用现有技术电解液的对比例电池的容量保持率偏低，并且没办法同时兼顾高温性能和循环性能。60℃储存数据可以看出除对比样中加RPS、PS、和三腈的储存略好外(但循环极差)其他的膨胀率均远远高于实施例的厚度膨胀率。从结果可以看出，单独采用磺酸酯类、有机醚腈类、氟代碳酸酯类添加剂中一种、两种、三种的时候，电池的循环性能和高温储存性能没办法达到我们的使用要求，但通过四种添加剂的联合使用，可以达到兼顾循环性能的同时，具有非常好的高温储存性能。
表2：实施例和对比例循环测试结果
本发明以上实施例的电解液中所使用的添加剂磺酸内酯类添加剂、氟代酯、有机三腈类、双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐，可以协同改善电压下电池的常温及高温循环性能性能，因此，本发明的电解液体系在较高充放电电压下具有高放电容量，良好的常温循环性能及高温储存性能。
本发明以上实施例相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)使用本发明以上实施例高电压锂离子电池的非水电解液制备得到的高电压锂电池具有常温充放电循环性能和高温储存性能。
(2)使用本发明以上高电压锂离子电池的非水电解液成本适中。

Claims (9)

1.一种高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，由溶剂、无机锂盐、磺酸酯类添加剂、氟代碳酸酯类添加剂、有机三腈类添加剂和锂电池电解液添加剂组成；其中，
溶剂为环状碳酸酯和/或链状碳酸酯，无机锂盐在溶剂中的摩尔浓度为0.8-1.5mol/L。
2.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，所述的环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或γ-丁内酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，所述的链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯和碳酸乙丙酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，所述的氟代碳酸酯类添加剂为氟代碳酸乙烯酯和/或二氟代碳酸乙烯酯。
5.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，所述的磺酸内酯类添加剂包含1,3丙烯磺酸内酯，1,3丙磺酸内酯，1,8萘磺酸内酯或1,4丁磺酸内酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的有机三腈类添加为1,3,5戊三甲腈、1,2,3丙三甲腈或1,3,6己烷三腈中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，所述的双(多氟烷氧基磺酰)亚胺锂盐为双五氟乙基磺酸亚胺锂、三氟甲基五氟乙基磺酸亚胺锂或双三氟甲基磺酸亚胺锂或双(氟磺酰)亚胺锂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，所述的无机锂盐为LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAsF6、LiBOB，LiDFOB或LiPF4C204中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池的非水电解液，其特征在于，锂电池电解液添加剂包括碳酸亚乙烯酯，乙烯基碳酸乙烯酯)，硫酸乙烯酯,亚硫酸乙烯酯、1,3丙磺酸内酯、1,4丁磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、1,4-丁二醇硫酸酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯、丁二腈、己二腈、戊二腈、3,3'-氧二丙腈、乙二醇双(丙腈)醚或1,2,3-三(2-氰氧基)丙烷中的至少一种。
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