CN106920910A - 一种锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种锂电池，包括纤维素无纺布隔膜和电解液，所述电解液包含离子液体溶剂；所述纤维素无纺布电池隔膜选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚(乙二醇对苯二甲酸酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺的一种或几种。所述离子液体溶剂优选为脂肪族季铵盐、季膦盐、吡咯盐、吡咯烷酮盐、咪唑盐和哌啶盐。同时提供一种高安全性纤维素无纺布隔膜和离子液体溶剂，同时解决离子液体溶剂与传统的聚烯烃隔膜浸润性不好等问题，提高动力电池的充放电性能，加倍提高锂电池的安全性。

Description

一种锂电池
【技术领域】
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池。
【背景技术】
目前，锂电池已经越来越广泛地应用于电动汽车领域。锂电池主要由正极材料、负极材料、电解液及隔膜组成。尽管有机电解液已经在商品化电池中实际应用，但安全性一直是制约其发展的难题，这主要是由于电解液有机溶剂闪点比较低，容易燃烧，因而电池在加热、过充电或过放电、短路、高温等条件下导致内部温度升高，过量的热积聚在电池内部会使得电解液发生分解而产生大量气体，引起电池内压急剧升高，带来燃烧或爆炸等安全隐患。而目前商业化隔膜主要是聚烯烃类隔膜，但是聚烯烃类隔膜在120℃左右会出现闭孔现象，超过160℃会融化，导致电池正负极直接接触而发生短路，进而引发电池着火或爆炸，因此用聚烯烃类隔膜组装的电池安全性能较低。离子液体具有以下优异的特性：(1)蒸汽压极低；(2)耐热性高，液态温度范围宽(可达300℃)；(3)难燃性；(4)化学稳定性高，物质的溶解力强；(5)电化学窗口宽，分解电压高；(6)可通过阴阳离子的设计调节离子液体的性能，又被称为“可设计溶剂”；因此有望取代传统的有机溶剂解决锂离子电池安全性问题。然而，离子液体是由阳、阴离子组成极性较强的离子化合物，导致离子液体(极性)与商业化聚烯烃类隔膜(非极性)的浸润性较差，电池的充放电性能不佳，限制了其在锂离子电池中的应用。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于克服有机溶剂闪点比较低，容易燃烧和聚烯烃类隔膜，在120℃左右会出现闭孔现象，超过160℃会融化等安全性问题，提供一种具有高安全性阻燃动力锂离子电池溶剂和隔膜的锂电池。
为了实现上述目的，本发明提供一种锂电池，包括纤维素无纺布隔膜和电解液，所述电解液包含离子液体溶剂；所述纤维素无纺布电池隔膜选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚(乙二醇对苯二甲酸酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺的一种或几种；所述离子液体溶剂优选为脂肪族季铵盐、季膦盐、吡咯盐、吡咯烷酮盐、咪唑盐和哌啶盐。
本发明的有益效果是：提供一种高安全性纤维素无纺布隔膜和离子液体溶剂，同时解决离子液体溶剂与传统的聚烯烃隔膜浸润性不好等问题，提高动力电池的充放电性能，加倍提高锂电池的安全性。
【附图说明】
图1为PP及PET隔膜的实物对照图。
图2为分别滴加适量的离子液体溶剂于PP隔膜及PET隔膜上后的实物对照图。
图3为分别滴加5μL包含离子液体溶剂的电解液于PP隔膜及PET隔膜的表面，通过接触角测量仪获取的图像。
图4为PET隔膜在PC和PYR13TFSI两种溶剂浸润后的的燃烧性能对比图。
图5离子液体电解液在PP和PET隔膜的充放电曲线。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
本发明提供一种锂电池，包括纤维素无纺布隔膜和电解液，所述电解液包含离子液体溶剂。所述纤维素无纺布隔膜作为电池隔膜，所述纤维素无纺布电池隔膜选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚(乙二醇对苯二甲酸酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺的一种或几种。所述离子液体溶剂优选为脂肪族季铵盐、季膦盐、吡咯盐、吡咯烷酮盐、咪唑盐和哌啶盐，通式为C+[A]-，所述C+阳离子的结构式如下：
其中R1,R2,R3和R4为C1～C3烷基、烯丙基、醚基中的任意一种，通式中[A]-阴离子为CF3SO3 -，TFSI-、FSI-、BOB-或DFOB-中的任意一种。
进一步的，所述电解液还包含锂盐，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiN2(CF3SO2)、LiN2(F3SO2)、LiN2(C2F5SO2)、LiCF3SO3中的一种或几种的组合。所述锂盐的浓度为0.3mol/L～1.0mol/L。
进一步的，所述电解液还包含功能添加剂，所述的功能添加剂选自碳酸亚乙烯酯、1,3-丙磺酸内酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、1,4-丁磺酸内酯、联苯、氟苯、环己基苯、叔丁基苯、六甲基二硅胺、七甲基二硅胺、丁二腈、己二腈中的一种或几种的组合，功能添加剂的质量占电解液总质量的0.1～2％。
对比例1：室温下，滴加适量的离子液体溶剂于PP隔膜上，通过肉眼观察两者之间的浸润性能。
对比例2：室温下，滴加5μL包含离子液体溶剂的电解液于PP隔膜的表面，通过接触角测量仪获取其图像信息，再由计算机对所得的图像进行分析即可得到接触角的具体数值。
对比例3：将一小片PET隔膜浸润于碳酸丙烯酯(PC)有机溶剂后，通过点火枪直接点火观察PET隔膜的可燃性。
对比例4：室温下，在充满氩气的手套箱中将六氟磷酸锂(LiPF6)溶解于体积分数为98％离子液体(PYR13TFSI)中，其中添加体积分数为2％的碳酸亚乙烯酯(VC)，制备成锂盐浓度为0.3mol/L电解液，分别与三元正极(LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2)、负极锂片、PP隔膜组装成CR2023扣式电池，进行25℃0.1C恒电流充放电测试，电压范围2.75-4.3V。
实施例1：按照与对比例1相同的方法，滴加适量的离子液体溶剂于(聚对苯二甲酸乙二醇酯/PET)纤维隔膜上，通过肉眼观察两者之间的浸润性能。
实施例2：按照与对比例2相同的方法，滴加5μL包含离子液体溶剂的电解液于PET隔膜的表面，通过接触角测量仪获取其图像信息，再由计算机对所得的图像进行分析即可得到接触角的具体数值。
实施例3：按照与对比例3相同的方法，不同之处在于将PET隔膜浸润于离子液体(PYR13TFSI)中，再通过点火枪直接点火观察隔膜的可燃性。
实施例4：按照与对比例4相同的方法制备电解液，不同之处在于选用(聚对苯二甲酸乙二醇酯/PET)纤维隔膜组装成CR2023扣式电池进行25℃0.1C恒电流充放电测试，电压范围2.75-4.3V。
图1为PP隔膜与PET隔膜的实物对照图。图2为对比例1和实施例1离子液体溶剂滴加于PP隔膜与PET隔膜两张不同隔膜的浸润性对比图。结果显示，相较传统的PP聚烯烃隔膜，PET隔膜渗透离子液体的速度非常快，说明离子液体与无纺布隔膜的浸润性能较好。图3为对比例2和实施例2包含离子液体溶剂的电解液滴加于两张不同隔膜的接触角对比图。结果显示，包含离子液体溶剂的电解液在PP隔膜上的接触角为60°，浸润性不好；相反滴加于PET隔膜上，快速铺展开，完全润湿，亲液性能好，由于无纺布大多数都是极性较强的聚合物，而离子液体也是有阴、阳离子组成的极性离子化合物，两则具有一定的相容性，因此无纺布对离子液体的浸润性能良好。
图4为对比例3和实施例3PET隔膜浸泡于PC和PYR13TFSI溶剂中的燃烧性能对比图。PET隔膜浸泡离子液体PYR13TFSI后，用明火直接接触不发生燃烧，如图4中a所示；而浸泡PC有机溶剂后，明火点燃直接燃烧，如图4中b所示；说明PET在离子液体溶剂体系，具有更高的安全性。
图5为对比例4和实施例4的离子液体电解液分别与两种不同隔膜组装成CR2023扣式电池的恒电流充放电曲线图。由图5可知，包含离子液体的电解液在PP隔膜的充放电过程中，由于极差较大，电压上升和下降较快，充电和放电克容量分别为89.5mAh·g-1、7.7mAh·g-1；相反，包含离子液体的电解液在PET隔膜的电性能较好，充放电克容量分别为189.1mAh·g-1、153.1mAh·g-1。说明离子液体电解液与PET的浸润性较好，能有效的改善电池的电化学性能。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (7)

1.一种锂电池，其特征在于：包括纤维素无纺布隔膜和电解液，所述电解液包含离子液体溶剂；所述纤维素无纺布电池隔膜选自聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚(乙二醇对苯二甲酸酯)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺的一种或几种；所述离子液体溶剂优选为脂肪族季铵盐、季膦盐、吡咯盐、吡咯烷酮盐、咪唑盐和哌啶盐。
2.如权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述离子液体溶剂通式为C+[A]-，所述C+阳离子的结构式如下：
3.如权利要求2所述的锂电池，其特征在于：R1,R2,R3和R4为C1～C3烷基、烯丙基、醚基中的任意一种，通式中[A]-阴离子为CF3SO3 -，TFSI-、FSI-、BOB-或DFOB-中的任意一种。
4.如权利要求2所述的锂电池，其特征在于：所述电解液还包含锂盐，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiN2(CF3SO2)、LiN2(F3SO2)、LiN2(C2F5SO2)、LiCF3SO3中的一种或几种的组合。
5.如权利要求4所述的锂电池，其特征在于：所述锂盐的浓度为0.3mol/L～1.0mol/L。
6.如权利要求2所述的锂电池，其特征在于：所述电解液还包含功能添加剂，所述的功能添加剂选自碳酸亚乙烯酯、1,3-丙磺酸内酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、1,3-丙烯磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯、1,4-丁磺酸内酯、联苯、氟苯、环己基苯、叔丁基苯、六甲基二硅胺、七甲基二硅胺、丁二腈、己二腈中的一种或几种的组合。
7.如权利要求6所述的锂电池，其特征在于：功能添加剂的质量占电解液总质量的0.1～2％。
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