CN106299462A - 一种硅碳复合负极高电压锂离子电池 - Google Patents

一种硅碳复合负极高电压锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅碳复合负极高电压锂离子电池，包括：阴极、阳极、置于阴极与阳极之间的隔膜和非水电解液；阴极的活性物质为锂过渡金属氧化物；阳极的活性物质为基于Si的物质；隔膜为陶瓷隔膜；所述非水电解液包括：非水有机溶剂、锂盐和添加剂，添加剂包括氟代碳酸乙烯酯（FEC）、二氟乙二酸硼酸锂（Li ODFB）和含不饱和双键的环状酸酐；与现有技术相比，本发明通过以上三种添加剂的联合使用所产生的协同效应，在电极表面所形成的SEI膜更加稳定、致密，提高了硅碳负极表面物理和化学结构稳定性，从而使得硅碳负极电池具有较好的高温储存性能和循环性能。

Description

一种硅碳复合负极高电压锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，具体涉及一种硅碳复合负极高电压锂离子电池。
背景技术
锂离子电池是新一代最具竞争力的电池，被称为“绿色环保能源”，是解决当代环境污染问题和能源问题的首选技术。近年来，在高能电池领域中锂离子电池已取得了巨大成功，但消费者仍然期望综合性能更高的电池面世，而这取决于对新的电极材料和电解质体系的研究和开发。
目前智能手机、平板电脑等电子数码产品对电池的能量密度要求越来越高，使得商用锂离子电池难以满足要求。提升电池的能量密度可以通过以下两种方式：
1.选择高容量和高压实正负极材料；
2.提高电池的工作电压。
纯硅基负极理论克容量可高达4200mAh/g，但用作锂离子的负极，由于体积效应，电池膨胀、粉化十分严重，循环性能较差，于是，人们考虑将硅碳材料复合，形成硅碳负极材料，可以很大程度上提高材料的比容量，同时可以在一定程度上降低硅基材料的体积效应，而与硅碳负极材料相匹配的电解液也应运而生，成为锂电池电解液研究的热点，与石墨负极相比，由于硅存在体积效应，电池在循环过程中会出现体积膨胀，极片粉化从而导致电池容量衰减迅速，循环寿命差，与之匹配的电解液需要在一定程度上抑制硅的体积效应，从而保证硅碳负极良好的循环稳定。另外，也需要兼顾良好的高温性能，以满足高能量密度电池在高温条件下的应用。
氟代碳酸乙烯酯可以在硅碳负极表面形成均匀稳定的SEI膜，由于硅碳负极材料的特殊性，其电解液体系中往往需要比石墨负极体系更多的成膜添加剂，通常需要使用大量的FEC添加剂，由于FEC在高温环境中容易受热分解，无法满足电池高温使用要求等等，单独使用氟代碳酸乙烯酯(FEC)，其存在多种弊端。
为了解决含有氟代碳酸乙烯酯添加剂的锂离子电池在高温存储过程中的胀气问题，申请号为CN201110157665的中国专利采用在电解液中通过添加有机二腈类物质(NC-(CH2)n-CN，其中n＝2～4)的方法。这种方法虽然可以在一定程度上改善锂离子电池的高温存储性能，但该方法却受到一定的限制。例如当要求循环性能与高温存储性能同时进一步提高时，这两种结果会出现矛盾。美国专利US 2008/0311481Al(Samsung SDI Co.,Ltd)公开含有两个腈基的醚/芳基化合物，改善电池在高电压和高温条件下的气胀，改善高温存储性能,其电池性能有待进一步改进。
三星SDI株式会社CN 105428712A公开的基于Si负极活性物质可再充电锂电池含有添加剂包括三氟甲磺酸锂和碳酸氟代亚乙酯，改善了Si负极电池的可逆特性和循环寿命特性。但是，此发明需要进一步提升Si负极电池的高温性能以及满足高能量密度电池在高温条件下的应用。
有鉴于此，确有必要提供一种改善硅基负极，硅碳复合负极高电压锂离子电池在高电压下稳定性好、同时兼顾循环和高温性能的电解液方法及其电池。
发明内容
针对以上背景技术中存在的不足，本发明提供了一种硅碳复合负极高电压锂离子电池。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种硅碳复合负极高电压锂离子电池，包括：阴极、阳极、置于阴极与阳极之间的隔膜和非水电解液，其特征在于；
阴极的活性物质为锂过渡金属氧化物；
阳极的活性物质为基于Si的物质；
隔膜为陶瓷隔膜；
所述非水电解液包括：非水有机溶剂、锂盐和添加剂，添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、二氟乙二酸硼酸锂和含不饱和双键的环状酸酐；所述环状酸酐包含具有结构式I所示的化合物中的至少一种：
式中R1，R2表示氢或1～5个碳原子的烷基。
阴极的活性物质-锂过渡金属氧化物为LiNixCoyMnz L(1-x-y-z)O2，其中L为Al，Sr，Mg，Ti，Ca，Zr，Zn，Si和Fe中的一种，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1。
所述阴极的活性物质优选为钴酸锂。
所述阳极的活性物质优选为纳米硅或SiOx与石墨复合而成的硅碳。
所述隔膜采用单面涂覆有Al2O3的陶瓷隔膜，或者双面涂覆PVDF的陶瓷隔膜。
所述氟代碳酸乙烯酯的含量按非水电解液的总重量计为6％～26％重量百分比。
所述二氟乙二酸硼酸锂的含量按非水电解液的总重量计为0.1％～6％重量百分比。
所述式1所示化合物，按非水电解液的总重量计为0.1～2％。
所述锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂盐中的一种或两种以上。
所述非水电解液中锂盐优选为浓度1.15mol/L的六氟磷酸锂。
所述的非水有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、δ-戊内酯、ε-己内酯中的一种或两种以上。
为了进一步优化电池输出性能，所述电解液添加剂还含有1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、硫酸乙烯酯、己二腈和丁二腈中的一种或两种以上，且上述各添加剂在电解液中的质量百分比各自为0.1～10％。
本发明的优点在于：
(1)添加剂中6％-26％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)，在硅碳负极形成稳定并具有韧性的SEI膜，承受电池在反复充放电过程中硅产生的体积膨胀，保证电池具有较好的循环性能。
(2)添加剂中0.1％-6％的二氟乙二酸硼酸锂，能与硅碳负极形成稳定的SEI膜，具有较低的电池阻抗，好的低温性能，在一定程度上抑制硅碳负极的体积效应。同时，二氟乙二酸硼酸锂能有效抑制HF的产生，减少对硅的腐蚀。
(3)添加剂中0.1％～2％的式I所示结构化合物，具有在正负极成膜的作用，在正极表面形成稳定膜，能够降低正极氧化电解液，抑制高温胀气，改善了高电压下的高温存储性能；同时可以吸收电解液中的H2O、HF，改善HF对电解液的催化分解；此外，还能在负极表面形成致密的SEI膜，抑制了PC的剥离，改善了高电压下的循环性能。
(4)本发明的锂离子电池电解液具有使得硅碳负极锂离子电池在高电压下仍保持良好的循环寿命、低温放电特性和高温存储特性的有益效果。
附图说明
附图1为实施例1﹑对比例1﹑对比例3和对比例4电池初期化成时0.01C充至3.4V容量电压微分曲线。
具体实施方式
下面通过示例性的实施例对本发明进行进一步的阐述；但本发明的范围不应局限于实施例的范围，任何不偏离本发明主旨的变化或改变能够为本领域的技术人员所理解，都在本发明的保护范围以内。
实施例1
1、本实施例硅碳复合负极高电压锂离子电池的制备方法，根据电池的容量设计，正负极材料容量确定涂布面密度。正极活性物质购自北大先行4.4V钴酸锂材料；负极活性物质购自深圳贝特瑞生产的硅碳负极(硅碳负极材料中的硅含量占1％～10％)。
其正极制备步骤、负极制备步骤、电解液制备步骤、隔膜制备步骤和电池组装步骤说明如下：
所述正极制备步骤为：按96.8:2.0:1.2的质量比混合高电压正极活性材料钴酸锂，导电碳黑和粘结剂聚偏二氟乙烯，分散在N-甲基-2-吡咯烷酮中，得到正极浆料，将正极浆料均匀涂布在铝箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上铝制引出线后得到正极板，极板的厚度在100-115μm之间；
所述负极制备步骤为：按96:1:1.2:1.8的质量比混合石墨，导电碳黑、粘结剂丁苯橡胶和羧甲基纤维素，分散在去离子水中，得到负极浆料，将负极浆料涂布在铜箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上镍制引出线后得到负极板，极板的厚度115-135μm之间；
所述电解液制备步骤为：将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯，碳酸二乙酯按质量比为EC:PC:DEC＝10:20:70进行混合，混合后加入浓度为1.15mol/L的六氟磷酸锂，加入基于电解液总重量的1.5wt％二氟乙二酸硼酸锂、15wt％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、1wt％的马来酸酐、4wt％的1,3-丙烷磺内酯、2wt％的己二腈。
所述隔膜制备步骤为：隔膜采用单面涂覆有Al2O3的陶瓷隔膜；
锂离子电池的制备：将制得的正极片、隔膜、负极片按顺序叠好，使隔膜处于正负极片中间，卷绕得到裸电芯；将裸电芯置于外包装中，将上述制备的电解液注入到干燥后的电池中，封装、静置、化成、整形、容量测试，完成锂离子电池的制备(型号为454261PL)。
1)常温循环性能测试：在25℃下，将化成后的钴酸锂电池用1C恒流恒压充至4.4V，然后用1C恒流放电至3.0V。充/放电300次循环后计算第300次循环容量的保持率，计算公式如下：
第300次循环容量保持率(％)＝(第300次循环放电容量/第1次循环放电容量)×100％；
2)高温储存性能：将化成后的电池在常温下用0.5C恒流恒压充至4.4V，测量电池初始厚度，初始放电容量，然后在85℃储存4h，最后等电池冷却至常温再测电池最终厚度，计算电池厚度膨胀率；之后以0.5C放电至3.0V测量电池的保持容量和恢复容量。计算公式如下：
电池厚度膨胀率(％)＝(最终厚度-初始厚度)/初始厚度×100％；
电池容量保持率(％)＝保持容量/初始容量×100％；
电池容量恢复率(％)＝恢复容量/初始容量×100％。
3)低温放电：在25℃环境下以1C恒流恒压充电至4.4V(截止电流为0.01C),搁置5min,0.2C放电至3.0V，检测电池初始容量。搁置5min,1C恒流恒压充电至4.4V(截止电流为0.01C)。把电池放入-20℃的高低温箱中搁置4h,并在此条件下以0.2C放电至3.0V,检测低温下的放电容量。
低温放电保持率(％)＝低温放电容量/初始容量×100％；
2、实施例2～11和对比例1～7
实施例2～11和对比例1～7，除了添加剂组成与含量(基于电解液总重量)按表1所示添加外，其它均与实施例1相同。
表中1,3-PS为1,3-丙烷磺内酯，PRS为丙烯基-1,3-磺酸内酯，AN为己二腈，SN为丁二腈﹑DTD为硫酸乙烯酯﹑MA为马来酸酐﹑2-MA为2-甲基马来酸酐﹑DMA为2，3-二甲基马来酸酐。
采用本申请技术方案的实施例1～实施例11具有更好的常温循环性能，高温储存和低温放电性能。采用对比例1～对比例7电解液的电池不能同时兼顾高低温和循环性能，综合性能差。
实施例1，实施例11同对比例1～6比较可知：
不含FEC的对比例2和对比例5，第300圈常温循环保持率分别为34.2％和38.6％，远低于实施例1(84.6％)和实施例11(88.6％)保持率，常温循环差，相对应的高低温性能也不好。说明氟代碳酸乙烯酯(FEC)的存在，能在硅碳负极形成稳定并具有韧性的SEI膜，承受电池在反复充放电过程中硅产生的体积膨胀，综合提升电池循环和高低温性能。
不含二氟乙二酸硼酸锂的对比例3和对比例6，常温1C循环第300圈保持率分别为76.9％和78.6％,低于实施例1(84.6％)和实施例11(88.6％)保持率；-20℃条件下0.2C放电效率比实施例1和实施例11低了10个百分点左右。85℃储存性能与实施例相当，说明二氟乙二酸硼酸锂的存在，可在所述硅碳负极的表面上可形成稳定的低阻抗SEI膜，在一定程度上抑制硅碳负极的体积效应，提升电池的循环和低温性能。
不含马来酸酐(MA)的对比例4和不含2-甲基马来酸酐(2-MA)的对比例7，电池高温储存性能气胀严重，常温循环性能差，但是低温放电性能较实施例稍好。说明2-MA和MA具有在正负极成膜的作用，在正极表面形成稳定膜，能够降低正极氧化电解液，抑制高温胀气，改善电池的高温储存性能。由于其成膜物质阻抗稍高致使低温放电性能有所下降。
图1为实施例1﹑对比例1﹑对比例3和对比例4软包电池(型号454261PL)化成时，0.01C充至3.4V容量电压微分曲线。不含结构式1化合物和Li ODFB的对比例1，在2.65V和2.85V出峰是由于添加剂FEC﹑1,3-PS和溶剂EC还原分解；含有MA的实施例1和对比例3，1.56V出峰是由于MA的还原分解；含有Li ODFB的实施例1和对比例4，在2.32V出峰是由于LiODFB在硅碳负极还原。分析曲线图得知，实施例1，对比例3和对比例4中MA或者Li ODFB的存在，添加剂FEC﹑PS和溶剂EC还原分解峰大大地减弱。说明添加剂MA或者Li ODFB的存在，优先于添加剂FEC﹑1,3-PS和溶剂EC还原成SEI膜，因此改变了SEI膜的组成。实施例1SEI膜中由于同时含有MA和Li ODFB分解产物，其SEI膜更稳定，更耐高压高温性能。所以实施例1(含MA+Li ODFB)对应的电池输出性能，优于仅含一种添加剂的对比例3(含MA)和对比例4(含LiODFB)；优于同时不含MA和Li ODFB的对比例1。
进一步地通过各实施例与对比例1-7对比发现，本发明通过氟代碳酸乙烯酯(FEC)﹑二氟乙二酸硼酸锂(Li ODFB)和含不饱和双键的环状酸酐，以上三种添加剂的联合使用所产生的协同效应，在负极表面所形成的SEI膜提高了硅碳负极表面物理和化学结构稳定性，从而使得硅碳负极电池具有较好的循环性能﹑高温储存性能和低温放电性能。为了进一步优化电池输出性能，所述电解液添加剂还含有1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、硫酸乙烯酯、己二腈和丁二腈中的一种或两种以上。并通过进一步控制添加剂的加入量达到改变控制SEI组成和稳定性的能力，所形成的SEI膜阻抗总体较小、其成分和结构的稳定性，从而大大提高了硅碳负极锂离子电池的可逆容量和实际放电能力，进而确保电池在高电压下仍保持良好的循环寿命、低温放电特性和高温存储特性。
以上是针对本发明的可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技术精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围之内。

Claims (10)

1.一种硅碳复合负极高电压锂离子电池，包括：阴极、阳极、置于阴极与阳极之间的隔膜和非水电解液，其特征在于：
阴极的活性物质为锂过渡金属氧化物；
阳极的活性物质为基于Si 的物质；
隔膜为陶瓷隔膜；
所述非水电解液包括：非水有机溶剂、锂盐和添加剂，添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、二氟乙二酸硼酸锂（Li ODFB）和含不饱和双键的环状酸酐；所述环状酸酐包含具有结构式I所示的化合物中的至少一种：
结构式I
式中R1，R2表示氢或 1～5个碳原子的烷基。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于，所述非水电解液的添加剂还含有1,3- 丙烷磺内酯、1,4- 丁烷磺内酯、1,3- 丙烯磺内酯、硫酸乙烯酯、己二腈和丁二腈中的一种或两种以上，且上述各添加剂在电解液中的质量百分比各自为0.1～10％。
3.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：阴极的活性物质-锂过渡金属氧化物为LiNixCoyMnz L(1-x-y-z)O2，其中L 为Al，Sr，Mg，Ti，Ca，Zr，Zn，Si和Fe 中的一种，0 ≤ x≤ 1，0 ≤ y≤ 1，0 ≤ z ≤ 1。
4.根据权利要求3所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述阴极的活性物质为钴酸锂。
5.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述阳极的活性物质为纳米硅或SiOx 与石墨复合而成的硅碳。
6.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述隔膜采用单面涂覆有Al2O3的陶瓷隔膜或者双面涂覆PVDF的陶瓷隔膜。
7.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述二氟乙二酸硼酸锂的含量按非水电解液的总重量计为0.1%～6%重量百分比；所述氟代碳酸乙烯酯的含量按非水电解液的总重量计为6%～26%重量百分比；所述具有式I所示化合物在电解液中的质量百分含量为0.1％～2％。
8.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂盐中的一种或两种以上。
9.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述非水电解液中锂盐为浓度1.15mol/L 的六氟磷酸锂。
10.根据权利要求1所述的硅碳复合负极高电压锂离子电池，其特征在于：所述的非水有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、γ- 丁内酯、γ- 戊内酯、δ- 戊内酯、ε- 己内酯中的一种或两种以上。
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