CN105449278A - 一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液及高电压锂离子电池 - Google Patents

一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液及高电压锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液及高压锂离子电池，该电解液中包含一种硅氧烷衍生物添加剂，该硅氧烷衍生物添加剂具有较高氧化电位，匹配高电压正极材料，添加该硅氧烷衍生物添加剂的锂离子电池能量密度提高，同时，硅氧烷衍生物添加剂可以在锂离子电池正负极表面形成稳定的界面膜，抑制电极表面的反应活性，减少电解液的氧化分解，有效地抑制胀气，从而提高锂离子电池的常压和高电压下的循环性能和使用寿命。

Description

一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液及高电压锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，以及高电压锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
锂离子电池作为一种新型绿色高能电池，因具有工作电压高、比容量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应及对环境友好等优点，被广泛应用于移动电话、摄像机、笔记本电脑等便携式设备。随着在电动汽车、无绳电动工具及军事上的应用，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求，而三元材料LiNixCoyMnzO2(x+y+z＝1)和LiMPO4能够在较高的电压(大于4.5V)下发生锂离子的脱嵌反应，因此为提高锂离子电池的能量密度带来了新的希望。但是锂离子电池的电解液在高电压下容易分解，导致锂离子电池的充放电效率比较低，循环性能比较差，制约了高电压锂离子电池的进一步发展。
发明内容
针对现有技术中锂离子电池电解液在高电压下易分解的缺陷，本发明的目的是在于提供一种在高电压下稳定性能好，可显著提高锂离子电池在常压和高电压(高达4.5V)下的循环性能和使用寿命的电解液。
本发明的另一个目的是在于提供一种由所述硅氧烷衍生物锂离子电池电解液制得的在常压和高电压下的循环性能和使用寿命明显改善的锂电池。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含式1结构添加剂：
式1
其中，
R1和R2各自独立地选自C3～C8的直链烷基、一卤素取代或多卤素取代的C3～C8直链烷基、C3～C6的直链碳酸酯基、含有五元环状碳酸酯取代基的烷基、苯基、卤素取代苯基、苄基、氰基或含氰基取代基的烷基。
本发明技术方案中涉及的添加剂为硅氧烷衍生物，其具有较高的物化稳定性，存在电解液中于高电位下不易分解，且与高电压正极材料匹配，能有效提升锂离子电池的能量密度；同时，硅氧烷衍生物可以在正负极表面形成较稳定的界面膜，抑制电极表面的反应活性，减少电解液的氧化分解，有效地抑制胀气，实现提高锂离子电池在常压和高电压下的循环性能和使用寿命。
本发明的硅氧烷衍生物添加剂的制备方法为：将1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与R3-C＝C和R4-C＝C按摩尔比1:1:1混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在40～80℃下回流6～8h；所得混合液体在80℃下旋蒸去除溶剂，即得。采用的1,1,3,3-四甲基二硅氧烷属于市售常规药剂。
优选的方案，硅氧烷衍生物锂离子电池电解液包括有机溶剂、锂盐和所述添加剂。
较优选的方案，所述添加剂的质量为有机溶剂和锂盐总质量的0.01％～10％。
较优选的方案，有机溶剂与锂盐的质量百分比为80～85％:15～20％。
进一步优选的方案，锂盐为六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。
进一步优选的方案，有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、碳酸二丙酯、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基乙酰胺、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、乙腈、丁二腈、己二腈、戊二腈、二甲亚砜、亚硫酸二甲酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸甲丙酯、1,3-二氧戊环、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二丁氧基、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环氧丙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯中的至少一种。
进一步优选的方案，锂盐在电解液中的浓度为1.0M。
本发明还提供了一种高电压锂离子电池，包括所述的硅氧烷衍生物锂离子电解液。该电解液对于锂离子电池的能量密度及耐高压稳定性得到明显提升。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1、本发明的硅氧烷衍生物添加剂具有较高的物化稳定性，存在电解液中在高电位下不易分解，与高电压正极材料匹配，能有效提升锂离子电池的能量密度。
2、本发明的硅氧烷衍生物添加剂可以在正负极表面形成较稳定的界面膜，抑制电极表面的反应活性，减少电解液的氧化分解，有效地抑制胀气，实现提高锂离子电池在常压和高电压(高达4.5V)下的循环性能和使用寿命。
3、本发明的硅氧烷衍生物添加剂，添加量小，作用效果显著，且容易获得，满足工业应用需求。
具体实施方式
以下具体实施例对本发明内容作进一步描述，但本发明权利要求保护范围不受实施例限制。
实施例1
硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含一种含有碳原子数为2的直链烷基的硅氧烷衍生物。
硅氧烷衍生物的制备方法为：1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与H2C＝CH2以摩尔比(1:2)混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在65℃下回流6h，所得混合液体80℃下旋蒸去除溶剂，可得所需添加剂。其结构式为：
所述的高电压添加剂在用于锂离子电池电解液中时，在电解液中所占的质量百分比为0.8％。电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物，其中EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1。锂离子电池的电解质为1M的LiPF6，记为电解液1。
实施例2
硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含一种部分氢被氟取代的碳原子数为2的直链烷基硅氧烷衍生物。
硅氧烷衍生物的制备方法为：取一定量1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与F-HC＝CH2以摩尔比(1:2)混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在40℃下回流6h，所得混合液体在80℃下旋蒸去除溶剂，可得所需添加剂。其结构式为：
所述的高电压添加剂在用于锂离子电池电解液中时，在电解液中所占的质量百分比为0.8％。电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物，其中EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1。锂离子电池的电解质分别为1M的LiPF6，记为电解液2。
实施例3
硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含一种碳原子数为2的碳酸酯基硅氧烷衍生物。
硅氧烷衍生物的制备方法为：取一定量1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与HO-CO-O-C＝CH2以摩尔比(1:2)混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在60℃下回流6h，所得混合液体80℃下旋蒸去除溶剂，可得所需添加剂。其结构式为：
所述的高电压添加剂在用于锂离子电池电解液中时，在电解液中所占的质量百分比为0.8％。电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物，其中EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1。锂离子电池的电解质分别为1M的LiPF6，记为电解液3。
实施例4
硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含一种含有五元环状碳酸酯基的烷基的硅氧烷衍生物。
硅氧烷衍生物的制备方法为：取一定量1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与C3H3O3-C＝CH2以摩尔比(1:2)混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在70℃下回流5h，所得混合液体80℃下旋蒸去除溶剂，可得所需添加剂。其结构式为：
所述的高电压添加剂在用于锂离子电池电解液中时，在电解液中所占的质量百分比为6％。电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物，其中EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1。锂离子电池的电解质分别为1M的LiPF6，记为电解液4。
实施例5
硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，包含一种部分氢被F取代的苯基硅氧烷衍生物。
硅氧烷衍生物的制备方法为：取一定量1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与C6H4F-C＝CH2以摩尔比(1:2)混合均匀，以体积比1:10加入溶剂甲苯，加入5mg铂作为硅氢加成反应催化剂，在50℃下回流6h，所得混合液体80℃下旋蒸去除溶剂，可得所需添加剂。其结构式为：
所述的高电压添加剂在用于锂离子电池电解液中时，在电解液中所占的质量百分比为6％。电解液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物，其中EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1。锂离子电池的电解质分别为1M的LiPF6，记为电解液5.
上述实施例1～5的电解液进行测试比较，将电解液1～5分别注入到正极为LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2,负极为人造石墨的铝壳锂离子电池中(标称容量为650Ah)，在3.0～4.5V电压范围内进行1C充放电循环，结果如下表1。
注：表中电解液均采用溶剂EC、DMC和EMC的质量比为1∶1∶1，电解液锂盐浓度为1.0M。未添加添加剂的电解液作为对照组记为电解液6。
表1实施例1～5及对照组电解液组装的锂电池循环性能数据
电解液 添加量(wt.％) 循环次数 容量保持率(％)
1 0.8 300 85
2 0.8 300 80
3 0.8 300 78
4 6 300 79
5 6 300 82
6 0 300 33。.

Claims (8)

1.一种硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：包含式1结构添加剂：
其中，
R1和R2各自独立地选自C3～C8的直链烷基、一卤素取代或多卤素取代的C3～C8直链烷基、C3～C6的直链碳酸酯基、含有五元环状碳酸酯取代基的烷基、苯基、卤素取代苯基、苄基、氰基或含氰基取代基的烷基。
2.根据权利要求1所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：包括有机溶剂、锂盐和所述添加剂。
3.根据权利要求2所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：所述的添加剂的质量为有机溶剂和锂盐总质量的0.01％～10％。
4.根据权利要求3所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：有机溶剂与锂盐的质量百分比为80～85％:15～20％。
5.根据权利要求4所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：所述的锂盐为六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：所述的有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、碳酸二丙酯、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基乙酰胺、N-甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、二乙基甲酰胺、乙腈、丁二腈、己二腈、戊二腈、二甲亚砜、亚硫酸二甲酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸甲丙酯、1,3-二氧戊环、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二丁氧基、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环氧丙烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、乙酸丙酯中的至少一种。
7.根据权利要求1～6任一项所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液，其特征在于：所述的锂盐在电解液中的浓度为1.0M。
8.一种高电压锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的硅氧烷衍生物锂离子电池电解液。
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