CN106450454A - 一种电解液及使用该电解液的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电解液及使用该电解液的锂离子电池，该电解液包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯。电解液中三种功能添加剂相互协同作用，保证在电池负极表面形成一层致密、稳定的SEI膜，使电池在满足高倍率放电的要求下，可以有效兼顾电池良好的低温放电性能和高温循环性能。

Description

一种电解液及使用该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种电解液及使用该电解液的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
能源是人类社会存在和发展的基础，以矿物能源为基础的当今社会愈来愈频繁地遭遇能源匮乏以及环境污染的危机。为了减少城市汽车的污染排量，实现新能源汽车的发展战略，发展电动汽车是当前的重中之重。锂离子电池具有能量密度大、工作电压高以及循环寿命长等优点，成为目前市场上用量最广、也较为可靠的动力电池之一。
目前市场上用作动力电池的锂电池以磷酸铁锂系电池为主，该体系电池在较低温度环境下，电池的放电容量会急剧衰减，极大的限制了其使用范围。针对这一问题，目前市场上研究出一些电池的低温性能有所改善，但其高温性能相对变差，很难实现两者兼顾。锂离子电池电解液是一种在电池正、负极之间起到传导作用的离子导体，它作为锂离子电池的关键材料之一，其性能好坏将会影响整个锂离子电池性能的发挥。因此，要解决锂离子电池使用中出现的问题或者要提高锂离子电池的性能时，不仅需要关注锂离子电池正负极材料的性能和特点，也要努力改善锂离子电池电解液的成分与配比。因此，发展一种锂离子电池用的电解液，使利用该电解液所制备的锂离子电池在满足电池高倍率的基础上，同时兼顾良好的低温放电性能和高温循环性能，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种电解液，利用该电解液制备的锂离子电池，可以同时兼顾良好的低温放电性能和高温循环性能。
此外，本发明还提供了一种使用该电解液的锂离子电池。
为了实现以上目的，本发明电解液所采用的技术方案是：
该电解液包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯。
所述有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为10～20:2:1。
利用碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯复配作为功能添加剂，利用碳酸亚乙烯酯和亚硫酸丙烯酯的协同作用，保证在电池负极表面形成一层致密稳定的SEI膜，进而提高了电池的高温存储性能和高温循环性能。此外，氟代碳酸乙烯酯在反应形成SEI膜时，生成不溶于电解液的卤代物，进一步提高了SEI膜的稳定性；同时，氟代碳酸乙烯酯可以失去一个HF分子，HF分子可以与SEI膜中的碱性组分生成氟化锂，能够有效抑制锂枝晶的生成，进一步改善电池的循环性能和低温性能。
所述功能添加剂各组分在电解液中的质量百分含量为：碳酸亚乙烯酯0.5～2.5％，亚硫酸丙烯酯0.5～2.5％，氟代碳酸乙烯酯0.5～2.5％。
所述锂盐为六氟磷酸锂。
所述锂盐的浓度为0.8～2.0mol/L。
所述有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为5:1～4:1。
所述碳酸酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的任意一种或任意组合。
所述碳酸酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的任意三种或三种以上的混合物。
所述羧酸酯类为乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯的一种或两种混合物。
一种利用上述电解液的锂离子电池。
本发明电解液的电导率较大，有利于电池的大倍率放电；添加功能添加剂碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，利用三者相互协同作用，保证在负极表面形成一层致密稳定的SEI膜，优化了负极表面膜。其中氟代碳酸乙烯酯作为电解液的成分可以发生一定的化学反应，生成HF与碱性组分发生反应，有效抑制锂枝晶的生成，并增强了SEI膜的稳定性。利用该电解液制成的锂离子电池在满足高倍率放电的要求下，可以有效兼顾电池良好的低温放电性能和高温循环性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为10:2:1，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，各组分在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为：碳酸亚乙烯酯2.0％，亚硫酸丙烯酯1.5％，氟代碳酸乙烯酯2.0％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为1.2mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为4:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物，四者质量比为5:1:6:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本实施例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A1。
实施例2
本实施例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为12:2:1，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，各组分在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为：碳酸亚乙烯酯1.5％，亚硫酸丙烯酯1.5％，氟代碳酸乙烯酯2.0％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为1.15mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为4:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物，四者质量比为5:1:6:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本实施例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A2。
实施例3
本实施例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为15:2:1，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，各组分在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为：碳酸亚乙烯酯1.5％，亚硫酸丙烯酯2.0％，氟代碳酸乙烯酯2.0％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为1.15mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为4:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物，四者质量比为5:1:6:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯和乙酸乙烯酯的混合物，两者质量比为2:1。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本实施例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A3。
实施例4
本实施例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为17:2:1，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，各组分在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为：碳酸亚乙烯酯0.5％，亚硫酸丙烯酯2.5％，氟代碳酸乙烯酯0.5％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为0.8mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为5:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸甲乙酯的混合物，三者质量比为5:3:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本实施例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A4。
实施例5
本实施例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为20:2:1，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯，各组分在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为：碳酸亚乙烯酯2.5％，亚硫酸丙烯酯0.5％，氟代碳酸乙烯酯2.5％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为2.0mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为9:2，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯的混合物，两者质量比为4:3，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯和乙酸乙烯酯的混合物，两者质量比为3:2。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本实施例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A5。
对比例1
本对比例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为58:11:2.5，其中功能添加剂为碳酸亚乙烯酯，在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为2.5％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为1.2mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为4:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物，四者质量比为5:1:6:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本对比例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah软包锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池B1。
对比例2
本对比例电解液，包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为12:2:1，其中功能添加剂为氟代碳酸乙烯酯，在电解液中的质量百分含量(以电解液总质量为基准)为5％；锂盐为六氟磷酸锂，在电解液中的浓度为1.15mol/L；有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为4:1，其中碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合物，四者质量比为5:1:6:4，其中羧酸酯为丙酸乙烯酯。
锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，取本对比例电解液各组成成分，按照现有技术方法混合制成锂离子电池电解液，正极所用活性物质为磷酸铁锂材料，然后以人造石墨为负极材料，所用隔膜为具有涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜，按照现有技术中的方法进行组装，制成5Ah软包锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池B2。
实验例1
本实验例对实施例1～5及对比例1～2所制得的锂离子电池的循环性能进行测试，将各电池分别循环800次，计算循环前后的电池容量保持率。测试条件如下，常温测试：3.0C倍率放电，3.0C倍率充电，电压范围2.50～3.65V，温度25±5℃；高温测试：1.0C倍率放电，1.0C倍率充电，电压范围2.50～3.65V，温度55±5℃，测试结果如表1所示。
表1实施例1～5及对比例1～2所制得的锂离子电池的循环性能
电池 常温容量保持率/％ 高温容量保持率/％
A1 92.4 90.4
A2 92.7 91.0
A3 93.1 89.9
A4 90.0 86.0
A5 91.4 90.6
B1 87.1 84.6
B2 88.3 76.0
从表1中可以看出，实施例1～5电解液所制得的锂离子电池循环性能明显优于对比例1～2，且高温条件下循环性能依旧良好。
实验例2
本实验例对实施例1～5及对比例1～2所制得的锂离子电池的高温放电容量保持率(放电容量保持率＝最终容量/初始容量)进行测试。测试条件如下，常温测试：20.0C倍率放电，1.0C倍率充电，电压范围2.50～3.65V，温度25±5℃；低温测试：1.0C倍率放电，1.0C倍率充电，电压范围2.0～3.65V，温度-20±5℃，测试结果如表2所示。
表2实施例1～5及对比例1～2所制得的锂离子电池的倍率性能
从表2中可以看出，实施例1～5电解液所制得的锂离子电池放电性能明显优于对比例1～2，且低温条件下放电性能依旧良好。
综上所述，利用该电解液制成的锂离子电池在满足高倍率放电的要求下，可以有效兼顾电池良好的低温放电性能和高温循环性能。

Claims (10)

1.一种电解液，其特征是：包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂，其中功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和氟代碳酸乙烯酯。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征是：所述有机溶剂：锂盐：功能添加剂的质量比为10～20:2:1。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征是：所述功能添加剂各组分在电解液中的质量百分含量为：碳酸亚乙烯酯0.5～2.5％，亚硫酸丙烯酯0.5～2.5％，氟代碳酸乙烯酯0.5～2.5％。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征是：所述锂盐为六氟磷酸锂。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征是：所述锂盐的浓度为0.8～2.0mol/L。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征是：所述有机溶剂为碳酸酯类和羧酸酯类的混合物，两者质量比为5:1～4:1。
7.根据权利要求6所述的电解液，其特征是：所述碳酸酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的任意一种或任意组合。
8.根据权利要求6所述的电解液，其特征是：所述碳酸酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的任意三种或三种以上的混合物。
9.根据权利要求6所述的电解液，其特征是：所述羧酸酯类为乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯的一种或两种混合物。
10.一种利用如权利要求1～9任一所述电解液的锂离子电池。
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