CN104638301A - 一种高电压锂离子电池电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高电压锂离子的电池电解液，含有五种成份：（A）含氟磺酰亚胺锂、（B）其他锂盐、（C）氟代有机溶剂、（D）碳酸酯类和/或醚类有机溶剂和（E）其他功能添加剂。本发明所述的电解液具有较宽使用温度、成膜性能优异，能够改善电动汽车循环寿命、高低温承受能力，特别适合用于4.35v以上的高电压锂离子电池。

Description

一种高电压锂离子电池电解液
技术领域
本发明属于化学材料技术领域；涉及一种用于锂离子电池的电解液。
背景技术
锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长和无污染等优点，广泛应用于日常生活的各个领域，包括各种便携式电子设备和电动汽车等。决定锂离子电池能量密度、功率密度和成本的主要因素是正极材料，其中能量密度通过电压和容量两个参数表征，具有高电压和大容量的电池正极材料是未来更小更轻电池的发展方向，例如使用LiNi0.5Mn1.5O4和LiCoPO4等作为高电压正极材料的锂离子电池的放电电压可高达5V左右，进一步拓宽了其在大功率电气设备（尤其是电动汽车）上的使用。
当前应用于商品化锂离子电池的液体电解液一般以六氟磷酸锂(LiPF6)作为导电盐，以高粘度、高介电常数的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯(PC)与低粘度、低介电常数的碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、或甲基乙基碳酸酯（EMC）构成的混合物为溶剂。虽然此种液体电解液获得了广泛应用，但存在以下缺陷，阻碍了其在高电压锂离子电池中的应用：（1）LiPF6热稳定性和化学稳定性较差，特别是在低温下易发生晶析或固化、黏度增加，导致电导率急剧下降、电解质与电极的界面阻抗迅速增加，从而致使电池不能工作；（2）当体系电压高于4.5V时，常规碳酸酯基电解液溶剂如EC会发生分解从而造成电池性能下降。
因此需要开发一种新的适用于高电压锂离子电池的液体电解液。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高电压锂离子的电池电解液。
为达到发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于：
所述电解液含有五种成份：（A）含氟磺酰亚胺锂、（B）其他锂盐、（C）氟代有机溶剂、（D）碳酸酯类和/或醚类有机溶剂和（E）其他功能添加剂；
其中：所述含氟磺酰亚胺锂在电解液中的摩尔浓度为0.001～2摩尔/升，所述其它锂盐在电解液中的摩尔浓度为0～2摩尔/升，所述氟代有机溶剂在电解液中的质量分数为10～70%；
所述氟代有机溶剂选自C1-C20氟代碳酸酯、C1-C20氟代羧酸酯和C1-C20氟代醚中的一种、两种或三种以上组合；
所述含氟磺酰亚胺锂为离子型化合物，其阳离子为锂离子，其阴离子具有如下结构式（I）：
其中：R1、R2独立地选自卤素、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10卤代烷基、C1-C10卤代烷氧基、C2-C10烯烃基、C2-C10卤代烯烃基、苯基、联苯基、卤代苯基或卤代联苯基。
由于氟原子具有强电负性和弱极性，致使氟代有机溶剂具有较高的电化学稳定性。普通有机溶剂在引入氟元素之后，其物理性质会发生很大的变化，如溶剂的凝固点降低、抗氧化的稳定性提高，而且有利于在碳负极表面形成SEI膜，提高锂离子电池电解液耐高电压能力，能够有效抑制电解液在高电压情况下的分解。故本发明在电解液中加入氟代有机溶剂，能够使之应用于高电压锂离子电池。
作为优选的方案，上述C1-C20氟代碳酸酯优选为含氟的C2-C5环状碳酸酯和/或含氟的C3-C10链状碳酸酯，进一步优选为选自氟代碳酸乙烯酯（FEC）、双氟代碳酸乙烯酯（DFEC）、三氟代碳酸丙烯酯（TFPC）、三氟甲基碳酸甲酯（MTFEC）和三氟甲基碳酸乙酯（ETFEC）中的一种、两种或三种以上组合；上述C1-C20氟代羧酸酯优选为C3-C10氟代羧酸酯，进一步优选为选自三氟乙酸乙酯（ETFA）、三氟丙酸甲酯（MTFPA）和三氟丙酸乙酯（ETFPA）中的一种、两种或三种；C1-C20氟代醚优选为C4-C12氟代醚，进一步优选为甲基氟代丁基醚（MFE）和/或四氟乙醚。
作为优选的方案，上述含氟磺酰亚胺锂结构式（I）中，R1、R2独立地优选自F、C1-C5烷基、C1-C5烷氧基、C1-C5氟代烷基或C1-C5氟代烷氧基；进一步优选为R1、R2独立地选自为F或CF3。当R1和R2为F时，含氟磺酰亚胺锂为LiN(SO2F)2（缩写为LIFSI）；当R1和R2为CF3时，含氟磺酰亚胺锂为LiN(SO2CF3)2（缩写为LITFSI）。
作为优选的方案，上述碳酸酯类有机溶剂优选为环状碳酸酯类和/或链状碳酸酯类化合物，所述环状碳酸酯类进一步优选自碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、γ-丁内酯(GBL)和碳酸亚丁酯中的一种、两种或三种以上组合，所述链状碳酸酯类化合物进一步优选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯、碳酸甲基乙基酯(EMC)、C3～C8脂肪单醇与碳酸合成的碳酸酯衍生物中的一种、两种或三种以上组合；上述的醚类有机溶剂优选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷、1,2-二甲氧乙烷和二甘醇二甲醚中的一种、两种或三种以上组合。
作为优选的方案，上述其他锂盐优选自LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiC2O4BC2O4和LiF2BC2O4中的一种、两种或三种以上组合。
作为优选的方案，上述其他功能添加剂优选自联苯（BP），碳酸亚乙烯酯(VC)，碳酸乙烯亚乙酯(VEC)，亚硫酸丙烯酯，亚硫酸丁烯酯，1,3-丙磺酸内酯，1,4丁磺酸内酯(BS)，1,3-（1-丙烯）磺内酯(PST)，亚硫酸乙烯酯(ESI)，硫酸乙烯酯(ESA)，环己基苯，叔丁基苯和丁二腈(SN)中的一种、两种或三种以上组合。
对于氟代有机溶剂、含氟磺酰亚胺锂和其它锂盐的用量，综合考虑电解液性能、成本等各方面因素，氟代有机溶剂在电解液中的质量分数优选为10～70%，进一步优选为10～50%；含氟磺酰亚胺锂在电解液中的摩尔浓度优选为0.001～2摩尔/升，进一步优选为0.02～1.2摩尔/升；其它锂盐在电解液中的摩尔浓度优选为0～2摩尔/升，进一步优选为0～1.2摩尔/升。
本发明提供的锂离子电解液，适合用于高电压锂离子电池，特别适合用于4.35v以上的高电压锂离子电池。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）使用氟代有机溶剂，能够有效改善电解液在高电压下性能；
（2）使用含氟磺酰亚胺锂，能够有效改善电解液在高电压下性能；
（3）电解液具有较宽使用温度、成膜性能优异，能够改善电动汽车循环寿命、高低温承受能力。
具体实施方式
下面的实施例为用来说明本发明的几个具体实施方式，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
本发明以表格的形式列举了1～14种基于含氟磺酰亚胺锂的电解液的成份组成、以及各电解液的电池1C循环100次后的容量保持率的测试数据，详见下表：
表1高电压锂离子电池电解液的组分及电池容量保持率
通过上述实施例，尤其是与对比例比较后可知：本发明提供的电池电解液能够能大大提高电解液的电导率、耐水解及高低温性能；将其应用于高电压锂电池后，有利于电池循环寿命和储存寿命的提高。

Claims (10)

1.一种用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于：
所述电解液含有五种成份：（A）含氟磺酰亚胺锂、（B）其他锂盐、（C）氟代有机溶剂、（D）碳酸酯类和/或醚类有机溶剂和（E）其他功能添加剂；
其中：所述含氟磺酰亚胺锂在电解液中的摩尔浓度为0.001～2摩尔/升，所述其它锂盐在电解液中的摩尔浓度为0～2摩尔/升，所述氟代有机溶剂在电解液中的质量分数为10～70%；
所述氟代有机溶剂选自C1-C20氟代碳酸酯、C1-C20氟代羧酸酯和C1-C20氟代醚中的一种、两种或三种以上组合；
所述含氟磺酰亚胺锂为离子型化合物，其阳离子为锂离子，其阴离子具有如下结构式（I）：
其中：R1、R2独立地选自卤素、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10卤代烷基、C1-C10卤代烷氧基、C2-C10烯烃基、C2-C10卤代烯烃基、苯基、联苯基、卤代苯基或卤代联苯基。
2.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述C1-C20氟代碳酸酯为含氟的C2-C5环状碳酸酯和/或含氟的C3-C10链状碳酸酯，所述C1-C20氟代羧酸酯为C3-C10氟代羧酸酯，所述C1-C20氟代醚为C4-C12氟代醚。
3.按照权利要求2所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述C1-C20氟代碳酸酯选自氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯、三氟代碳酸丙烯酯、三氟甲基碳酸甲酯和三氟甲基碳酸乙酯中的一种、两种或三种以上组合，所述C1-C20氟代羧酸酯选自三氟乙酸乙酯、三氟丙酸甲酯和三氟丙酸乙酯中的一种、两种或三种，所述C1-C20氟代醚为甲基氟代丁基醚/或四氟乙醚。
4.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述含氟磺酰亚胺锂结构式（I）中，R1、R2独立地选自F、C1-C5烷基、C1-C5烷氧基、C1-C5氟代烷基或C1-C5氟代烷氧基。
5.按照权利要求4所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述含氟磺酰亚胺锂结构式（I）中，R1、R2独立地选自为F或CF3。
6.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述含氟磺酰亚胺锂在电解液中的摩尔浓度为0.02～1.2摩尔/升，所述其它锂盐在电解液中的摩尔浓度为0～1.2摩尔/升，所述氟代有机溶剂在电解液中的质量分数为10～50%。
7.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述碳酸酯类有机溶剂为环状碳酸酯类和/或链状碳酸酯类化合物，所述环状碳酸酯类选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯和碳酸亚丁酯中的一种、两种或三种以上组合，所述链状碳酸酯类化合物选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲基乙基酯、C3～C8脂肪单醇与碳酸合成的碳酸酯衍生物中的一种、两种或三种以上组合；所述的醚类有机溶剂选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧环戊烷、二甲氧甲烷、1,2-二甲氧乙烷和二甘醇二甲醚中的一种、两种或三种以上组合。
8.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述其他锂盐选自LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiClO4、LiSO3CF3、LiC2O4BC2O4和LiF2BC2O4中的一种、两种或三种以上组合。
9.按照权利要求1所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于所述其他功能添加剂选自联苯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸丁烯酯、1,3-丙磺酸内酯、1,4丁磺酸内酯、1,3-（1-丙烯）磺内酯、亚硫酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、环己基苯、叔丁基苯和丁二腈中的一种、两种或三种以上组合。
10.按照权利要求1-9之一所述的用于高电压锂离子的电池电解液，其特征在于用于4.35v以上的高电压锂离子电池。
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