CN105514494A - 一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，属于锂离子电池领域领域，为了提高锂离子电池的安全性能。该阻燃电解液主要由有机溶剂、锂盐、添加剂组成。其中有机溶剂中含有一种高闪点溶剂γ-丁内酯（BL），添加剂包括阻燃添加剂和成膜添加剂。本发明是在充满氩气的手套箱中配制，将高纯度的碳酸酯类有机溶剂、γ-丁内酯，依次加入到聚四氟乙烯容器中，再缓慢的加入LiPF6，充分搅拌；再向上述混合液中加入成膜添加剂和阻燃添加剂，搅拌，配制完毕。本发明通过将高闪点溶剂与少量阻燃添加剂结合使用，使得本发明的电解液具有较好的阻燃效果，难于点燃且自熄时间较短。

Description

一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法。
背景技术
电解液是锂离子电池四大关键材料（正极、负极、隔膜、电解液）之一，号称锂离子电池的“血液”，在电池中正负极之间起到传导电子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。但在锂离子电池滥用或受热的情况下，电解液极易燃烧、爆炸，这是影响锂离子电池用于电动车的主要问题之一。为了解决安全问题，可在电解液中加入阻燃添加剂，降低电解液的燃烧性。
美国专利US6589697公布的锂离子电解液采用了磷酸三甲酯（TMP）等磷酸酯类作为电解液添加剂，来降低电解液的可燃性。但是这些添加剂大都具有高粘度，高的凝固点，且作为阻燃添加剂使用时，添加10%以上才具有阻燃效果，而阻燃添加剂加入过多又会对电池的性能产生较大的负面影响，因此，急需开发能在不影响锂离子电池基本性能的基础上实现阻燃性能的电解液。
具有高沸点和高闪点的溶剂为电解液的主溶剂时，会相应的提高电解液的闪点，使电解液难于点燃，A.Abouimrane等报道了以砜类溶剂为电解液制备的Li4Ti5O12/LiMn2O4电池，循环性能良好且难点燃（.ElectrochemCommun，2009,11(5):1073-1076.）。专利US0204857报道了以LiBF4为锂盐，10%~30%高闪点、高沸点的γ-BL+70%~90%的EC为溶剂的阻燃电解液。高沸点、高闪点溶剂的加入提高了电解液的闪点，使电解液难点燃，但不能使电解液的自熄时间降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，使电解液具有难于点燃、自熄时间短，同时，对电池性能影响较小的性能。
本发明的技术方案为：一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）在充满氩气的手套箱中配制，按重量计，将高纯度的常见碳酸酯类有机溶剂20~80份、γ-丁内酯80~20份，依次加入到聚四氟乙烯容器中，充分搅拌混合均匀得混合溶液；再将LiPF6缓慢的加入上述混合溶液中，充分搅拌；
（2）将质量分数为上述混合溶液加入0.5~5%的成膜添加剂和2~6%的阻燃添加剂，搅拌混匀，配制完毕。
氩气手套箱中H2O<10ppm、O2<10ppm。
所述有机溶剂中常见碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等。所述常见碳酸酯类溶剂与γ-丁内酯按重量分数计量。
所述成膜添加剂优选为碳酸亚乙烯（VC）、所述阻燃添加剂优选为磷酸三甲酯（TMP）。
本发明所述电解液由有机溶剂、电解质和添加剂组成。由有机溶剂、锂盐和添加剂组成。有机溶剂由常见碳酸酯类溶剂和高闪点溶剂BL组成，添加剂由成膜添加剂和阻燃添加剂TMP组成，电解质在有机溶剂中的摩尔浓度0.8-1.5mol/L，成膜添加剂在电解液中的重量百分数为0.5~5%、阻燃添加剂在电解液中的重量百分数为2~6%。
本发明的电解液燃烧性能测试可以采取如下的方法：将5mm厚的陶瓷纤维纸裁成15×20mm大小的长条置于恒温干燥箱中85℃烘干8小时。将铜丝截成10cm长，钩在陶瓷纤维纸中心靠上约5mm处，称量陶瓷纤维纸和铜丝的总质量m1，精确至0.01g。将陶瓷纤维纸放入100ml烧杯中，倒入电解液浸泡5分钟，取出陶瓷纤维纸，用减重法称量浸泡电解液后的总质量m2，精确至0.01g。将浸泡电解液的陶瓷纤维纸挂在铁架台上，点燃，记录火源离开后至陶瓷纤维纸熄灭的时间，计算自熄时间：。
本发明的有益效果为：通过添加少量的不燃的、挥发性含磷化合物磷酸三甲酯(TMP)，阻燃添加剂通过自由基捕获原理，能阻止电解液中的氢自由基与氧气结合，使易燃的有机电解液变成难燃或不可燃的电解液，从而起到阻燃作用，而高闪点溶剂BL加入电解液后，能够提高电解液的闪点，使电解液变得难以点燃。BL、TMP结合使用，降低了磷酸三甲酯的用量。使电解液具有难燃，自熄时间较短、对电池性能影响较小等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1实施例5与对比例1充放电循环图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的阐述；但并未对本发明作任何形式上的限制，任何不偏离本发明的主旨，而对本发明多做的变化或改变，都在本发明的保护范围以内。
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，包括如下步骤：（1）在充满氩气（H2O<10ppm、O2<10ppm）的手套箱中配制，按重量计，将高纯度的常见碳酸酯类有机溶剂20~80份、γ-丁内酯80~20份，依次加入到聚四氟乙烯容器中，用磁力搅拌器搅拌10分钟混合均匀得混合溶液；再将LiPF6缓慢的加入上述混合溶液中，用磁力搅拌器搅拌10分钟。
（2）将质量分数为上述混合溶液加入0.5~5%的成膜添加剂和2~6%的阻燃添加剂，搅拌10分钟，配制完毕。
实施例1
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将重量比为1：4的有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚混合均匀；之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1.0mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为2wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例2
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）混合均匀；EC和FEC的重量比为EC：FEC＝1：1，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1.2mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TPP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例3
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、亚硫酸二甲酯（DMS）混合均匀；EC和DMS的重量比为EC：DMS＝3：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1.5mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例4
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、环丁砜（TMS）、碳酸甲乙酯（EMC）混合均匀；重量比为EC：TMS：GBL＝3：2：5，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，最后分别加入磷酸三苯酯（TPP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1.5wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例5
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、γ-丁内酯（BL）混合均匀；重量比为EC：PC：BL＝2：1：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例6
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、γ-丁内酯（BL）混合均匀；重量比为EC：PC：BL＝2：1：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为0.8mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为8wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例7
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、γ-丁内酯（BL）混合均匀；重量比为EC：PC：BL＝2：1：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为2wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例8
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、亚硫酸二甲酯（DMS）混合均匀；EC和DMS的重量比为EC：DMS＝3：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，最后分别加入六甲基膦腈（HMPN），用量为5wt.％；1,3-丙磺酸内酯（1,3-PS），用量为1.5%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
实施例9
一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、γ-丁内酯（BL）混合均匀；EC和BL的重量比为EC：BL＝1：1，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt%，混合均匀，静置，即得到所述高安全性锂离子电池电解液。
对比例1
在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）混合均匀；EC和DMC的重量比为EC：DMC＝3：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，混合均匀。
对比例2
在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、γ-丁内酯（BL）混合均匀；EC和BL的重量比为EC：BL＝3：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为1mol/L，混合均匀，静置。
对比例3
在充满氩气（H2O<10ppm，O2<10ppm）的手套相中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）混合均匀；EC和DMC的重量比为EC：DMC＝3：7，之后加入导电锂盐LiPF6，使其在有机溶剂中的浓度为0.8mol/L，最后分别加入磷酸三甲酯（TMP），用量为5wt.％；碳酸亚乙烯酯（VC），用量为1wt.%，混合均匀，静置。
将上述实施例与对比例进行燃烧试验测试，燃烧试验如下：将5mm厚的陶瓷纤维纸裁成15×20mm大小的长条置于恒温干燥箱中85℃烘干8小时。将铜丝截成10cm长，钩在陶瓷纤维纸中心靠上约5mm处，称量陶瓷纤维纸和铜丝的总质量m1，精确至0.01g。将陶瓷纤维纸放入100ml烧杯中，倒入电解液浸泡5分钟，取出陶瓷纤维纸，用减重法称量浸泡电解液后的总质量m2，精确至0.01g。将浸泡电解液的陶瓷纤维纸挂在铁架台上，点燃，记录火源离开后至陶瓷纤维纸熄灭的时间，计算自熄时间：，测试结果见表1。
电池性能测试，以NCM523为正极，以锂片为负极，在手套箱中组装成扣式电池，静置8h后测试，充放电循环性能测试采用LANDIAN测试仪，测试电流倍率为1C，充放电电压为2.7V-4.3v。测试结果见图1。
从表1中可以看出实施例电解液中含有较高含量的高闪点溶剂BL时，电解液自熄时间较长。电解液中同时含有BL与TMP时电解液难以点燃，同时自熄时间较短。另外，从图1中可知，本发明电解液对电池性能影响较小。本发明的电解液的具有难以点燃且自熄时间较短，对电池性能影响较小的特性。

Claims (4)

1.一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）在充满氩气的手套箱中配制，按重量计，将高纯度的常见碳酸酯类有机溶剂20~80份、γ-丁内酯80~20份，依次加入到聚四氟乙烯容器中，充分搅拌混合均匀得混合溶液；再将LiPF6缓慢的加入上述混合溶液中，充分搅拌；
（2）将质量分数为上述混合溶液加入0.5~5%的成膜添加剂和2~6%的阻燃添加剂，搅拌混匀，配制完毕。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，其特征在于：氩气手套箱中H2O<10ppm、O2<10ppm。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂中常见碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池阻燃电解液的制备方法，其特征在于：所述成膜添加剂优选为碳酸亚乙烯（VC）、所述阻燃添加剂优选为磷酸三甲酯（TMP）。
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