CN106159325A - 一种锂离子电池用低温电解液及低温锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用低温电解液及低温锂离子电池。该低温电解液由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐在低温电解液中的浓度为1.0～1.2mol/L，添加剂在低温电解液中的质量百分比为0.5％～20％，余量为有机溶剂；有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：线性羧酸酯类溶剂55％～90％、碳酸酯类溶剂10％～45％；电解质盐为Li2B12F12、LiBF3(C2F5)中的任意一种或组合。本发明的锂离子电池用低温电解液，可显著提高锂离子电池低温下的充放电容量保持率，以及充放电电压平台，大大的拓宽了锂离子电池在低温下的应用。

Description

一种锂离子电池用低温电解液及低温锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用低温电解液，同时还涉及一种采用所述低温电解液的低温锂离子电池。
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。随着锂离子电池应用的不断扩大，会产生一些特殊的应用，如航空、航天和军事领域，这也对锂离子电池的低温性能和安全性提出了更高的要求。目前，锂离子电池在低温下的容量保持率是非常低的，容量衰减有很大一部分的原因是由于锂离子在电解液中移动缓慢造成的。而锂离子移动缓慢的原因主要是由于电解液电导率的下降，正极材料与电解液间的界面、负极材料与电解液间的界面阻抗的增加，锂离子在正极材料和负极材料中迁移速度变慢，以及电极/电解液界面电荷转移速率变慢等。而电解液的组成是决定这些性能的关键因素之一。
早期研究认为，电解液电导率降低以及锂离子在石墨电极SEI膜表面的离子电导率降低是造成电池低温性能下降的主要原因。因此，提高电解液电导率便成为改善电解液低温性能的焦点，采用低熔点、高离子电导率的电解液便成为改善锂离子电池低温性能的主要方法。然而，随着研究的深入发现电解液的电导率并不是限制锂离子电池低温性能最主要的因素，导致锂离子电池低温性性能变差的主要原因很可能是石墨电极表面锂离子迁移速率降低。
低温下，电解液电导率的骤降、电极界面膜阻抗的增大、电荷传递电阻的增大都会造成锂离子电池放电容量下降，这些因素都受电解液成分的影响，因此电解液对锂离子电池低温性能起着重要的作用。目前，在改善锂离子电池低温性能方面工作重点包括：一、通过溶剂优化或者添加剂的选择提高电解液的低温电导率；二、使用成膜剂改善电极材料表面SEI膜，降低低温下的SEI膜阻抗RSEI和电荷传递阻抗RCT；三、提高锂离子在电极材料中的扩散速度。
现有技术中，CN103078141A公开了一种锂离子二次电池电解液，包含溶剂和锂盐，还包含成膜添加剂，所述溶剂包括第一溶剂和第二溶剂，第一溶剂由线性羧酸酯和碳酸乙烯酯组成，第二溶剂选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯碳酸丙烯酯中的一种或几种，成膜添加剂选自氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺内酯、丁二腈、己二腈、双草酸硼酸锂、双氟草酸硼酸锂中的一种或几种。其中，所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiTFSI、LiClO4、LiODFB、LiBOB中的一种或几种。该技术方案通过线性羧酸酯与碳酸乙烯酯的搭配，得到具有较高介电常数和低粘度的溶剂体系，通过成膜添加剂改善线性羧酸酯u石墨相容性差的问题，使得采用该电解液的锂离子二次电池表面出高功率放电能力和优良的高温循环稳定性，但是其在-20℃、0.5C恒流充放电的容量保持率仅为40％～45％，低温性能较差，还不能满足低温条件下的使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池用低温电解液，在低温下具有较高的电导率、较低的电极界面膜阻抗，能显著改善锂离子电池的低温充放电性能。
本发明的第二个目的是提供一种采用上述低温电解液的低温锂离子电池。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种锂离子电池用低温电解液，由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐在所述低温电解液中的浓度为1.0～1.2mol/L，添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为0.5％～20％，余量为有机溶剂；所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：线性羧酸酯类溶剂55％～90％、碳酸酯类溶剂10％～45％；
其中，所述电解质盐为Li2B12F12、LiBF3(C2F5)中的任意一种或组合。
本发明的低温电解液，以低熔点、低粘度的线性羧酸酯类溶剂为主要组分，降低高熔点组分的含量，有利于提高电解液的低温电导率，优化低温性能。所用的新型电解质盐在有机溶剂中具有较大的溶解度、较高的电导率以及较高的稳定性；所用的新型电解质盐都具有较强的吸电子基团，从而使阴离子的电荷较为分散，但引入共轭效应强的大分子基团会增加溶液的粘度，使溶剂化效应进一步增强。
本发明的锂离子电池用低温电解液，采用线性羧酸酯类与碳酸酯类复配的混合溶剂，通过溶剂组分优化，降低高熔点组分的含量，提高电解液的低温电导率；同时所述电解质盐为Li2B12F12、LiBF3(C2F5)(全氟取代乙基三氟硼酸锂)中的任意一种或组合，选用具有较高电导率以及较高稳定性的新型电解质盐，加入功能性的添加剂，可有效的降低电解液在负极表面的分解，参与负极成膜，降低低温下电解液的界面阻抗，提升电解液的低温性能。本发明的锂离子电池用低温电解液，可显著提高锂离子电池低温下的充放电容量保持率，以及充放电电压平台，大大的拓宽了锂离子电池在低温下的应用。
所述线性羧酸酯类溶剂为甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、丁酸甲酯中的任意一种或几种；所述碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯中的任意一种或几种。
所述线性羧酸酯类溶剂为丁酸甲酯；所述碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物。
所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：丁酸甲酯60％～65％、碳酸乙烯酯10％、碳酸二乙酯10％～15％、碳酸甲乙酯15％。
所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、硫酸乙烯酯(DTD)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、三(三甲基硅烷)硼酸酯(TMSB)、二乙基亚硫酸酯(DES)、二甲基亚硫酸酯(DMS)中的任意一种或几种。添加剂的加入可有效的降低电解液在负极表面的分解，参与负极成膜，降低低温下电解液的界面阻抗，提升电解液的低温性能。
所述添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为0.5％～3.5％。
所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯、二乙基亚硫酸酯和二甲基亚硫酸酯的混合物。
本发明的锂离子电池用低温电解液的制备方法，包括：在保护气氛下，取线性羧酸酯类溶剂与碳酸酯类溶剂混合，搅拌15～25min后，加入配方量的电解质盐，搅拌10～20min待溶解完全后，再加入配方量的添加剂，搅拌15～25min混合均匀即得。
所述保护气氛为氩气气氛，水分含量低于10ppm。
本发明的锂离子电池用低温电解液，与现有技术相比，具有如下优点：
1)对溶剂组分进行合理优化，降低高熔点组分含量并增加低粘度、低熔点的链状羧酸酯类溶剂作为低温共溶剂，有利于提高电解液的低温电导率，从而改善其低温性能；
2)加入低温功能添加剂，来降低电极/电解液的界面阻抗，提升低温性能；
3)采用新型电解质盐，降低了电荷传递阻抗。
本发明的低温电解液基于上述三个方面，优化了电解液的低温性能。
一种低温锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为权利要求1-7中任一项所述的低温电解液。
所述正极所用的正极活性物质为LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiMn1-yMyPO4、LiMn1- yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的任意一种或几种；其中，M各自独立的为Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的任意一种，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
所述负极所用的负极活性物质为人造石墨、天然石墨、软碳、Si/C负极材料中的任意一种或组合。
上述锂离子电池的制备方法，包括下列步骤：
1)正极的制备：向溶剂中加入正极活性物质、导电剂和粘结剂，混合均匀得正极浆料；将正极浆料均匀涂覆在正极集流体上，干燥后辊压，得到正极；
负极的制备：向溶剂中加入负极活性物质、导电剂、增稠剂和粘结剂，混合均匀得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在负极集流体上，干燥后辊压，得到负极；
2)电芯组装：将正极、隔膜和负极叠片形成电芯组件，装入壳体内；
3)电解液的注入：向电池壳体内注入上述的低温电解液，得到所述低温锂离子电池。
其中，正极浆料中，所用溶剂为N-甲基吡咯烷酮，所用导电剂为炭黑，所用粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。优选的，正极活性物质、导电剂与粘结剂的质量比为94:3:3。
负极浆料中，所用溶剂为水，所用导电剂为炭黑，所用增稠剂为羧甲基纤维素钠(CMC)，所用粘结剂为SBR(丁苯橡胶)。优选的，负极活性物质、导电剂、增稠剂和粘结剂的质量比为95:2:1:2。
本发明的锂离子电池用低温电解液，在低温下具有较高的电导率、较低的电极界面膜阻抗，能显著的提高锂离子电池的低温充放电性能。其中，在溶剂组成上以低熔点、低粘度的线性羧酸酯类溶剂为主要组分，降低高熔点组分的含量，提高低温电导率，优化低温性能；同时选用在有机溶剂中具有较大的溶解度、较高的电导率以及较高稳定性的新型电解质盐；加入功能性的添加剂可有效的降低电解液在负极表面的分解，参与负极成膜，降低低温下电解液的界面阻抗，提升电解液的低温性能。本发明的低温锂离子电池，采用上述的低温电解液，显著的提高了锂离子电池低温下地充放电容量保持率，以及充放电电压平台，大大的拓宽了锂离子电池在低温下的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例的锂离子电池用低温电解液，由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐Li2B12F12在所述低温电解液中的浓度为1.2mol/L，添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为3.5％，余量为有机溶剂；
所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：丁酸甲酯60％、碳酸乙烯酯10％、碳酸二乙酯15％、碳酸甲乙酯15％；
所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二乙基亚硫酸酯(DES)与二甲基亚硫酸酯(DMS)的质量比为1.5:1:1的混合物。
本实施例的锂离子电池用低温电解液的制备方法如下：
在充满氩气的手套箱(水分含量<10ppm)中，取配方量的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和丁酸甲酯混合，搅拌15min后加入配方量的电解质盐Li2B12F12，待电解质盐溶解完全后，向体系加入配方量的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二乙基亚硫酸酯(DES)和二甲基亚硫酸酯(DMS)，再搅拌15min，即得所述低温电解液。
本实施例的低温锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为上述的低温电解液；正极所用的正极活性物质为LiFePO4；负极所用负极活性物质为人造石墨。
本实施例的低温锂离子电池的制备方法如下：
1)正极的制备：向溶剂N-甲基吡咯烷酮中加入正极活性物质LiFePO4、导电剂炭黑和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)，正极活性物质LiFePO4、导电剂炭黑与粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)的质量比为94:3:3，混合均匀得正极浆料；将正极浆料均匀涂覆在厚度为20μm的正极集流体Al箔上，干燥后辊压，得到正极；
负极的制备：向溶剂去离子水中加入负极活性物质人造石墨、导电剂炭黑、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)和粘结剂SBR(丁苯橡胶)，负极活性物质人造石墨、导电剂炭黑、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)和粘结剂SBR(丁苯橡胶)的质量比为95:2:1:2，混合均匀得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在厚度为10μm的负极集流体Cu箔上，干燥后辊压，得到负极；
2)电芯组装：将正极、隔膜和负极叠片形成电芯组件，装入壳体内；
3)电解液的注入：向电池壳体内注入上述的低温电解液，得到所述低温锂离子电池。
实施例2
本实施例的锂离子电池用低温电解液，由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐Li2B12F12在所述低温电解液中的浓度为1.2mol/L，添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为3.5％，余量为有机溶剂；
所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：丁酸甲酯65％、碳酸乙烯酯10％、碳酸二乙酯10％、碳酸甲乙酯15％；
所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二乙基亚硫酸酯(DES)与二甲基亚硫酸酯(DMS)的质量比为1.5:1:1的混合物。
本实施例的锂离子电池用低温电解液的制备方法同实施例1。
本实施例的低温锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为上述的低温电解液；其余同实施例1。
实施例3
本实施例的锂离子电池用低温电解液，由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐Li2B12F12在所述低温电解液中的浓度为1.0mol/L，添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为3.5％，余量为有机溶剂；
所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：丁酸甲酯65％、碳酸乙烯酯10％、碳酸二乙酯10％、碳酸甲乙酯15％；
所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二乙基亚硫酸酯(DES)与二甲基亚硫酸酯(DMS)的质量比为1.5:1:1的混合物。
本实施例的锂离子电池用低温电解液的制备方法同实施例1。
本实施例的低温锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为上述的低温电解液；其余同实施例1。
实施例4-6的低温电解液的组分及含量如表1所示，电解液的制备方法及锂离子电池的制备方法同实施例1。
表1实施例4-6的低温电解液的组分表
实验例
本实验例对实施例1-6和对比例所得锂离子电池的性能进行检测。检测结果如表2所示。
其中，对比例的电解液是由以下方法制备的：在充满氩气的手套箱(水分含量<10ppm)中，按照碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)与碳酸二乙酯(DEC)的体积比为1:2:1的比例，取有机溶剂混合并15min搅拌后，加入电解质盐LiPF6(LiPF6在电解液中的浓度为1.0mol/L)，待电解质盐溶解完全后即得电解液。对比例的锂离子电池采用上述的电解液，其余同实施例1。
表2实施例与对比例的锂离子电池性能检测结果
从表2可以看出，与常规电解液相比，采用本发明的低温电解液的锂离子电池，在低温下具有较好的放电能力及倍率性能。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用低温电解液，其特征在于：由有机溶剂、电解质盐和添加剂组成，电解质盐在所述低温电解液中的浓度为1.0～1.2mol/L，添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为0.5％～20％，余量为有机溶剂；所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：线性羧酸酯类溶剂55％～90％、碳酸酯类溶剂10％～45％；
其中，所述电解质盐为Li2B12F12、LiBF3(C2F5)中的任意一种或组合。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述线性羧酸酯类溶剂为甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、丁酸甲酯中的任意一种或几种；所述碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯中的任意一种或几种。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述线性羧酸酯类溶剂为丁酸甲酯；所述碳酸酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述有机溶剂由以下体积百分比的组分组成：丁酸甲酯60％～65％、碳酸乙烯酯10％、碳酸二乙酯10％～15％、碳酸甲乙酯15％。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、甲烷二磺酸亚甲酯、三(三甲基硅烷)硼酸酯、二乙基亚硫酸酯、二甲基亚硫酸酯中的任意一种或几种。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述添加剂在所述低温电解液中的质量百分比为0.5％～3.5％。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池用低温电解液，其特征在于：所述添加剂为氟代碳酸乙烯酯、二乙基亚硫酸酯和二甲基亚硫酸酯的混合物。
8.一种低温锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，其特征在于：所述电解液为权利要求1-7中任一项所述的低温电解液。
9.根据权利要求8所述的低温锂离子电池，其特征在于：所述正极所用的正极活性物质为LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4、LiMn1-yMyPO4、LiMn1-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的任意一种或几种；其中，M各自独立的为Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V、Ti中的任意一种，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
10.根据权利要求8所述的低温锂离子电池，其特征在于：所述负极所用的负极活性物质为人造石墨、天然石墨、软碳、Si/C负极材料中的任意一种或组合。
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