CN105098248A - 一种锂离子电池电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电解液，由电解质锂盐、溶剂和高温成膜添加剂组成，溶剂由腈类溶剂和/或酯类溶剂与宽温域共溶剂组成；所述的宽温域共溶剂为醚类化合物和/或含硝基的烷烃化合物；该锂离子电解液通过添加醚类和/或含有硝基的烷烃化合物，能改善电解液的熔点、沸点及介电常数等性能，提高了电解液的高、低温性能，同时在电解液中加入高温成膜添加剂，在锂电池负极形成在高温下较为稳定的SEI膜，能阻止溶剂在石墨负极被还原，使锂离子电池能在-60℃～70℃下稳定工作。

Description

一种锂离子电池电解液
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池电解液，属于锂离子电池电解液技术领域。
背景技术
锂离子电池是上个世纪九十年代发展起来的新一代绿色环保电池，具有电压高、比能量大、充放电寿命长、安全环保等特点，成为便携式电源和动力电池的首选。在很多领域，如航空航天，军工及极地环境等要求电子储能器件的工作温度在-40℃及以下。常规的锂离子电池低温放电基本上只能满足-20℃下工作，这样就限制了锂离子电池在军工及民用高端产品上的应用。如果仅单纯的追求低温放电性能的话，通过对电解液溶剂的调整，能够满足到低温-40℃的放电要求，但是锂离子电池的长循环寿命、高温贮存性能及常温长期贮存性能都会有所降低，最终影响到锂离子电池的实际使用性能。如线性羧酸酯共溶剂可以利用其低熔及低粘度的特性改善电解液低温电导率，从而提高电池低温性能。但是线性羧酸酯一般沸点较低(<100℃)，这导致电池高温性能较差，在高于50℃的环境中工作就会使电池因为溶剂的挥发而鼓胀。另外，线性羧酸酯介电常数很小(<7)，大量加入会降低电解质盐溶解度，从而降低电池性能。
发明内容
针对现有技术中锂离子电池存在的问题，本发明的目的是在于提供一种在高、低温下具有稳定物化性能的锂离子电解液，使锂离子电池能在-60℃～70℃温度环境下稳定工作。
为了实现本发明的技术目的，本发明提供了一种锂离子电池电解液，由电解质锂盐、溶剂和高温成膜添加剂组成，所述的溶剂由腈类溶剂和/或酯类溶剂与宽温域共溶剂按质量百分比50～99.9％:0.1～50％组成；所述的宽温域共溶剂为醚类化合物和/或含硝基的烷烃化合物。
本发明的技术方案通过在现有的锂离子电池有机溶剂电解液体系中添加适量的醚类化合物和/或含硝基的烷烃类化合物作为共溶剂，有效改变了现有有机溶剂体系电解液的熔点、沸点及介电常数等物化性质，使电解液的高温稳定性提高，且在低温下仍具有较高导电性；同时在电解液中加入高温成膜添加剂，在锂电池负极形成在高温下较为稳定的SEI膜，能阻止溶剂在石墨负极被还原，拓宽了锂离子电池应用温度范围。
本发明的锂离子电池电解液还包括以下优选方案：
优选的锂离子电池电解液中，宽温域共溶剂优选为醚类化合物和含硝基的烷烃化合物按质量比1:1～2混合组成。同时以醚类化合物和含硝基的烷烃化合物作为宽温域共溶剂复配使用，能更好地改善电解液的熔点、粘度、沸点及介电常数等性质，有利于提高锂离子电池的高、低温稳定性能。
优选的锂离子电池电解液中，醚类化合物优选为乙醚、二丙醚、二异丙醚、乙基丁基醚、二丁醚、戊醚和丁基乙烯基醚中的至少一种。
优选的锂离子电池电解液中，含硝基的烷烃化合物优选为硝基甲烷、2-硝基丙烷、1-硝基丁烷、2-硝基丁烷、1,1-二硝基乙烷和1,2-二硝基乙烷中的至少一种。
优选的锂离子电池电解液中，腈类溶剂优选为乙腈、丙腈、异丙腈、丁腈、丁二腈、戊腈、戊二腈、己二腈、3-氯丙腈和3-甲氧基丙腈中的至少一种。
优选的锂离子电池电解液，酯类溶剂优选为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯和戊酸丁酯中的至少一种。
优选的锂离子电池电解液，电解质锂盐优选为LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiBOB、LiODFB、LiClO4和LiTFSI中的至少一种。
优选的锂离子电池电解液中，高温成膜添加剂在溶剂中的添加量为0.1wt.％～5wt.％。
优选的锂离子电池电解液中，高温成膜添加剂优选为环状亚硫酸化合物和/或硫酸酯化合物。最优选为3-氟代丙烷磺酸内酯、亚硫酸乙二醇酯、1,3-丙烷磺酸内酯、丙烯基1,3-丙烷磺酸内酯、硫酸乙二醇酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸丁烯酯、硫酸丙烯酯、4-甲基亚硫酸亚乙酯、4-甲基硫酸乙烯酯和甲烷二磺酸亚甲酯中的至少一种。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的优势在于：本发明首次将醚类化合物和/或短链含硝基的烷烃化合物添加在锂离子电池专用的有机溶剂电解液体系中，能有效改善有机溶剂电解液体系的熔点、沸点及导电性等性能，使其具有高、低温稳定性，同时在电解液中加入高温成膜添加剂，在锂电池负极形成在高温下较为稳定的SEI膜，有效阻止溶剂在石墨负极被还原，能在不降低锂离子电性能的情况下，有效拓宽锂离子电池工作温域范围，使锂离子电池能在-60～70℃下稳定工作。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明，但不得将这些实施例解释为对本发明权利要求的保护范围的限制。
实施例1
在碳酸乙烯酯(EC)+碳酸甲乙酯(EMC)＝1:1的溶剂中加入宽温域共溶剂(丁醚(BE):2-硝基丙烷(2-NP)＝1:1；占溶剂总质量的10％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加2％的丙烯基-1,3-丙烷磺酸内酯(PES)，并溶入1.0M六氟磷酸锂(LiPF6)，制得到1.0MLiPF6/(EC+EMC+BE+2-NP+PES)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表1：
表1锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的68％及87％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为87％。具有良好的高低温性能。
实施例2
在碳酸乙烯酯(PC)+碳酸甲乙酯(EMC)＝1:1的溶剂中加入宽温域共溶剂(二丙醚(PE):2-硝基丙烷(2-NP)＝1:1；占溶剂总质量的0.1％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加0.1％的1,3-丙烷磺酸内酯(PS)及1％的3-氟代丙烷磺酸内酯(FPS)，并溶入1.0M六氟磷酸锂(LiPF6)，制得到1.0MLiPF6/(PC+EMC+BE+2-NP+PES)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表2：
表2锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的72％及85％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为87.4％，70℃下1C循环300圈后电池容量保持率为83.1％，具有非常良好的高低温性能。
实施例3
在碳酸乙烯酯(EC)+乙腈(AN)＝1:1的溶剂中加入宽温域共溶剂(乙醚(DEE)：丁醚(BE)：硝基丁烷(NB)：＝1:1:3；占溶剂总质量的50％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加5％丙烯基-1，3-丙烷磺酸内酯(PES)，并溶入1.0M六氟磷酸锂(LiPF6)，制得到1.0MLiPF6/(EC+AN+DEE+BE+NB+PES)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表3：
表3锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的78％及88％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为78.4％，70℃下1C循环300圈后电池容量保持率为78.1％，具有较良好的高低温性能。
实施例4
在碳酸乙烯酯(EC)溶剂中加入宽温域共溶剂(乙醚(DEE)：2-硝基丙烷(2-NP):硝基丁烷(NB)＝1:1:1；占溶剂总质量的20％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加1％的3-氟代丙烷磺酸内酯(FPS)、1％丙烯基-1，3-丙烷磺酸内酯(PES)及1％的1,4-丁基磺酸内酯(1，4-BS)，并溶入1.0MLiPF6盐，制得到1.0MLiPF6/(EC+DEE+2-NP+FPS+PES+1,4-BS)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表4：
表4锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的76％及84％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为83.4％，70℃下1C循环300圈后电池容量保持率为80.1％，具有非常良好的高低温性能。
实施例5
在碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)+碳酸甲乙酯(EMC)＝1:1:1的溶剂中加入宽温域共溶剂(乙醚(DEE)；占溶剂总质量的10％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加1％的3-氟代丙烷磺酸内酯(FPS)，并溶入0.5MLiPF6盐+0.5MLiBF4，制得到混合盐/(EC+DMC+EMC+DEE+FPS)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表5：
表5锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的73％及82％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为83.4％，70℃下1C循环300圈后电池容量保持率为80.1％，具有非常良好的高低温性能。
实施例6
在碳酸乙烯酯(EC)溶剂中加入宽温域共溶剂(2-硝基丙烷(2-NP):硝基丁烷(NB))＝1:1；占溶剂总质量的50％)制成混合溶剂，然后在混合溶剂中添加3％的3-氟代丙烷磺酸内酯(FPS)，并溶入0.5MLiPF6盐+0.5MLiBF4，制得到混合盐/(EC+DMC+EMC+2-NP+NB+FPS)锂离子电池用电解液，用电导率仪测试其电导率，并与1.0MLiPF6/(EC+EMC)电解液电导率进行比较，其结果如表6：
表6锂离子电池在不同温度下的导电性能
采用此电解液制作的LiCoO2/AG电池在-50℃，-40℃下放电容量分别为常温放电容量的78％及90％，高温70℃存储72h后放电容量保持率约为90.4％，70℃下1C循环300圈后电池容量保持率为83.3％，具有非常良好的高低温性能。

Claims (9)

1.一种锂离子电池电解液，其特征在于：由电解质锂盐、溶剂和高温成膜添加剂组成；所述的溶剂由腈类溶剂和/或酯类溶剂与宽温域共溶剂按质量百分比50～99.9%:0.1～50%组成；所述的宽温域共溶剂为醚类化合物和/或含硝基的烷烃化合物。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的宽温域共溶剂为醚类化合物和含硝基的烷烃化合物按质量比1:1～2混合组成。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的醚类化合物为乙醚、二丙醚、二异丙醚、乙基丁基醚、二丁醚、戊醚和丁基乙烯基醚中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的含硝基的烷烃化合物为硝基甲烷、2-硝基丙烷、1-硝基丁烷、2-硝基丁烷、1,1-二硝基乙烷和1,2-二硝基乙烷中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的腈类溶剂为乙腈、丙腈、异丙腈、丁腈、丁二腈、戊腈、戊二腈、己二腈、3-氯丙腈和3-甲氧基丙腈中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯和戊酸丁酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的电解质锂盐为LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiBOB、LiODFB、LiClO4和LiTFSI中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的高温成膜添加剂在溶剂中的添加量为0.1wt.%～5wt.%；所述的高温成膜添加剂为环状亚硫酸化合物和/或硫酸酯化合物。
9.根据权利要求1或8所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的高温成膜添加剂为3-氟代丙烷磺酸内酯、亚硫酸乙二醇酯、1,3-丙烷磺酸内酯、丙烯基1,3-丙烷磺酸内酯、硫酸乙二醇酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸丁烯酯、硫酸丙烯酯、4-甲基亚硫酸亚乙酯、4-甲基硫酸乙烯酯和甲烷二磺酸亚甲酯中的至少一种。
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