CN107808981A - 电解液与锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电解液，包括：溶剂和锂盐；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。当使用高浓度电解液时，锂离子与溶剂的络合状态由低浓度时的每个锂离子络合3～4个溶剂分子转变为一个锂离子络合1～2个溶剂分子，锂离子与溶剂分子的络合力增强，使溶剂发生还原的能垒提升，工作电压升高。同时，上述高浓度电解液能在正极表面部分还原，形成一层性优于现有电解液还原形成的SEI膜，其能抑制电解液的进一步分解，且在循环过程中始终保持较薄的厚度和较好的韧性韧，因此，界面阻抗及锂离子迁移数并不会随着循环次数的增加而增加，电池循环后期也能保持较高库伦效率和比容量。

Description

电解液与锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及电解液与锂离子电池。
背景技术
近年来，由于能源危机及能源革命迫在眉睫，使得锂离子电池的研究进一步深入，使得对锂电池的性能不断提出新的要求，如更高的能量密度，更好的安全性等。目前为了提高锂离子电池的能量密度，研究者们主要通过开发高容量、高工作电压的正负极材料来实现，如正极有三元材料，富锂材料及高电压材料，它们的充电截止电压均在4.7V以上，而商品化锂离子电池(其电解液由有机溶剂以及溶于其中的LiPF6所组成。其中，有机溶剂通常是以介电常数大的碳酸乙烯酯(EC)为基础的二元或三元混合溶剂，链状碳酸酯(DMC、DEC或EMC)、羧酸酯或醚类为共溶剂传统)的有机溶剂的电位只能达到4.5V。过高的电压使有机溶剂在高氧化活性的正极材料表面发生不可逆的氧化分解，当电压达到4.2～4.4V时，溶剂分子得到电子发生还原，形成烷基锂，烷氧基锂，碳酸锂等无机和有机物质，其沉积在正极表面，并随着循环次数的增多而过多的沉积，使界面阻抗增大，锂离子及锂迁移困难，锂离子电池循环寿命缩短。严重阻碍了高电压锂离子电池的开发与应用。
现有技术公开了在电解液中加入添加剂来改善高电压锂离子电池的循环稳定性，然而，其耐高压性能并不理想，尤其是在电池充电末期，局部的电压极化不均匀很可能在局部区域产生过高的过电位，不可避免地电解液溶剂仍然会发生氧化分解，导致电池循环性能的严重恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种电解液，本发明提供的电解液耐高压性能好，循环稳定性好。
本发明提供了一种电解液，包括：溶剂和锂盐；所述溶剂选自氟代碳酸酯溶剂、砜类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。
优选的，所述锂盐的浓度为3.2～4.5mol/L。
优选的，所述锂盐的浓度为4.6～4.9mol/L。
优选的，锂盐选自低晶格能锂盐、碳中心原子的锂盐、氮中心原子的锂盐和硼中心原子的锂盐中的一种或多种。
优选的，所述低晶格能锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂和三氟甲基磺酸锂中的一种或几种；所述碳中心原子的锂盐选自LiC(CF3SO2)3或LiCH(CF3SO2)2；所述氮中心原子的锂盐选自二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(二氟烷氧基磺酰)亚胺锂、二(四氟甲基磺酰)亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂中的一种或几种；所述硼中心原子的锂盐选自双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(全氟频哪基)硼酸酯锂。
优选的，所述氟代碳酸酯溶剂选自环状氟代碳酸酯类溶剂和链状氟代碳酸酯类溶剂中的一种或多种；所述砜类溶剂选自环状砜类溶剂和链状砜类溶剂中的一种或多种；
所述腈类溶剂为链状腈类溶剂。
优选的，所述环状氟代碳酸酯类溶剂选自氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和三氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述链状氟代碳酸酯类溶剂选自氟代甲基甲基碳酸酯和二氟代乙酸乙酯中的一种或多种；
所述环状砜类溶剂选自环丁砜；所述链状砜类溶剂选自甲基乙基砜、甲氧基乙基甲基砜、二甲基亚砜、甲基磺酰环戊烷和亚硫酸二甲酯中的一种或几种；
所述链状腈类溶剂选自乙腈、戊二腈、己二腈、3-甲氧基乙腈和(2,2,2-三氟)乙氧基丙腈中的一种或几种。
优选的，所述电解液还包括添加剂；所述添加剂选自1,3-丙磺酸内酯、亚硫酸丙烯酯和乙酰胺中的一种或几种。
优选的，所述添加剂的质量占电解液的质量分数为0.01％～2％。
本发明提供了一种锂离子电池，包括上述技术方案所述的电解液。
本发明提供了一种电解液，包括：溶剂和锂盐；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。当使用高浓度电解液时，锂离子与溶剂的络合状态由低浓度时的每个锂离子络合3～4个溶剂分子转变为一个锂离子络合1～2个溶剂分子，锂离子与溶剂分子的络合力增强，使溶剂发生还原的能垒提升，工作电压升高。同时，上述高浓度电解液能在正极表面部分还原，形成一层性优于现有电解液还原形成的SEI膜，其能抑制电解液的进一步分解，且在循环过程中始终保持较薄的厚度和较好的韧性韧，因此，界面阻抗及锂离子迁移数并不会随着循环次数的增加而增加，电池循环后期也能保持较高库伦效率和比容量。
附图说明
图1为本发明用实施例1,实施例3及对比例1中得到的非水电解液制备的扣式电池循环性能曲线图；
图2为本发明实施例1,实施例3及对比例1得到的电化学窗口即电解液耐电压图。
具体实施方式
本发明提供了一种电解液，包括：溶剂和锂盐；所述溶剂选自氟代碳酸酯溶剂、砜类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。
本发明提供的电解液包括溶剂。所述溶剂优选选自氟代碳酸酯溶剂、砜类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种。本发明对所述溶剂的来源并没有特殊的限制，市售即可。
在本发明中，所述氟代碳酸酯溶剂优选选自环状氟代碳酸酯类溶剂和链状氟代碳酸酯类溶剂中的一种或多种。所述环状氟代碳酸酯类溶剂优选选自氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和三氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述链状氟代碳酸酯类溶剂优选选自氟代甲基甲基碳酸酯和二氟代乙酸乙酯中的一种或多种。
在本发明中，所述砜类溶剂优选选自环状砜类溶剂和链状砜类溶剂中的一种或多种。所述环状砜类溶剂包括但不限于环丁砜；所述链状砜类溶剂优选选自甲基乙基砜、甲氧基乙基甲基砜、二甲基亚砜、甲基磺酰环戊烷和亚硫酸二甲酯中的一种或几种；更优选选自二甲基亚砜、甲氧基乙基甲基砜和甲基乙基砜中的一种或几种。
在本发明中，所述腈类溶剂优选为链状腈类溶剂。所述链状腈类溶剂优选选自乙腈、戊二腈、己二腈、3-甲氧基乙腈和(2,2,2-三氟)乙氧基丙腈中的一种或几种；更优选选自乙腈、3-甲氧基乙腈和(2,2,2-三氟)乙氧基丙腈中的一种或几种。
本发明提供的电解液包括锂盐。
在本发明中，所述锂盐优选选自低晶格能锂盐、碳中心原子的锂盐、氮中心原子的锂盐和硼中心原子的锂盐中的一种或多种。
进一步的，所述低晶格能锂盐优选选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂和三氟甲基磺酸锂中的一种或几种；更优选为六氟磷酸锂、高氯酸锂和、四氟硼酸锂中的一种或几种。所述碳中心原子的锂盐优选选自LiC(CF3SO2)3或LiCH(CF3SO2)2。所述氮中心原子的锂盐优选选自二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(二氟烷氧基磺酰)亚胺锂、二(四氟甲基磺酰)亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂中的一种或几种；更优选选自二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(四氟甲基磺酰)亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂中的一种或几种。所述硼中心原子的锂盐优选选自双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(全氟频哪基)硼酸酯锂。
在本发明中，所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。优选为3.2～4.5mol/L；更优选为3.3～4.3mol/L；更优选为4.6～4.9mol/L。
本发明人创造性的发现，当使用高浓度电解液时，锂离子与溶剂的络合状态由低浓度时的每个锂离子络合3～4个溶剂分子转变为一个锂离子络合1～2个溶剂分子，锂离子与溶剂分子的络合力增强，使溶剂发生还原的能垒提升，工作电压升高。同时，上述高浓度电解液能在正极表面部分还原，形成一层性优于现有电解液还原形成的SEI膜，其能抑制电解液的进一步分解，且在循环过程中始终保持较薄的厚度和较好的韧性韧，因此，界面阻抗及锂离子迁移数并不会随着循环次数的增加而增加，电池循环后期也能保持较高库伦效率和比容量。
在本发明中，所述电解液还包括添加剂。
所述添加剂优选选自1,3-丙磺酸内酯、亚硫酸丙烯酯和乙酰胺中的一种或几种。
所述添加剂的质量占电解液的质量分数优选为0.01％～2％；更优选为0.01％～1.5％。
本发明提供了一种电解液的制备方法，包括：
将溶剂和锂盐混合，得到电解液；所述溶剂选自氟代碳酸酯溶剂、砜类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。
本发明将溶剂和锂盐混合，得到电解液，本发明对于所述混合方式并不进行限定，本领域技术人员熟知的混合方式即可。
所述溶剂、锂盐上述已经有清楚的描述，在此不再赘述。
本发明提供了一种锂离子电池，包括上述技术方案所述的电解液。
在本发明中，所述电池包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为上述技术方案所述的电解液，在此不再赘述。
所述正极的材料优选选自过渡金属嵌锂化合物及具有层状结构的物质，所述负极的材料优选选自纯金属锂片，所述隔膜优选选自多孔聚烯烃化合物、纤维素或玻璃纤维中的任一种。
本发明提供了一种电解液，包括：溶剂和锂盐；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。当使用高浓度电解液时，锂离子与溶剂的络合状态由低浓度时的每个锂离子络合3～4个溶剂分子转变为一个锂离子络合1～2个溶剂分子，锂离子与溶剂分子的络合力增强，使溶剂发生还原的能垒提升，工作电压升高。同时，上述高浓度电解液能在正极表面部分还原，形成一层性优于现有电解液还原形成的SEI膜，其能抑制电解液的进一步分解，且在循环过程中始终保持较薄的厚度和较好的韧性韧，因此，界面阻抗及锂离子迁移数并不会随着循环次数的增加而增加，电池循环后期也能保持较高库伦效率和比容量。为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种电解液与锂离子电池进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为3.3mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为129次。
对比例1
以低浓度的LiPF6为电解液为对比例1，其基本组成为1mol/L LiPF6和氟代碳酸乙烯酯(FEC)。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为80次。
实施例2
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为3.1mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为108次。
实施例3
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为3.2mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为113次。
实施例4
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为4.3mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为100次。
实施例5
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为4.5mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为102次。
实施例6
在充满氩气的手套箱中，称取15ml的氟代碳酸乙烯酯(FEC)缓慢加入锂盐LiPF6，使锂盐的浓度为5.0mol/L，搅拌至锂盐完全溶解，得到电解液。
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数为106次。
实施例7～56
按照与实施例1的相同的方法制备实施例7～56的电解液，区别在于锂盐及浓度、溶剂组成和添加剂，具体如表1所示，表1为实施例和比较例的电解液组成。
表1实施例和比较例的电解液组成
性能测试：将上述制备得到的2mL电解液置于电导率测试仪，测定其电导率。用3mL电解液测定其电化学窗口。使用Li1.16[Mn0.75Ni0.25]0.84O2(高电压正极)为正极材料，纯金属Li为负极材料的纽扣电池，测试电压范围为2.6-4.8V，测试电池在25℃条件下的充放电容量，容量衰减至初始容量90％时的循环次数。测试结果如表2所示，表2为实施例和比较例的锂离子电池性能测定结果。
表2实施例和比较例锂离子电池的性能测试结果(测试电压范围为26-48V)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电解液，其特征在于，包括：溶剂和锂盐；所述溶剂选自氟代碳酸酯溶剂、砜类溶剂和腈类溶剂中的一种或多种；所述锂盐的浓度为3.1～5.0mol/L。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐的浓度为3.2～4.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐的浓度为4.6～4.9mol/L。
4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐选自低晶格能锂盐、碳中心原子的锂盐、氮中心原子的锂盐和硼中心原子的锂盐中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述低晶格能锂盐选自六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂和三氟甲基磺酸锂中的一种或几种；所述碳中心原子的锂盐选自LiC(CF3SO2)3或LiCH(CF3SO2)2；所述氮中心原子的锂盐选自二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(二氟烷氧基磺酰)亚胺锂、二(四氟甲基磺酰)亚胺锂和双(氟磺酰)亚胺锂中的一种或几种；所述硼中心原子的锂盐选自双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(全氟频哪基)硼酸酯锂。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述氟代碳酸酯溶剂选自环状氟代碳酸酯类溶剂和链状氟代碳酸酯类溶剂中的一种或多种；
所述砜类溶剂选自环状砜类溶剂和链状砜类溶剂中的一种或多种；
所述腈类溶剂为链状腈类溶剂。
7.根据权利要求6所述的电解液，其特征在于，所述环状氟代碳酸酯类溶剂选自氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和三氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述链状氟代碳酸酯类溶剂选自氟代甲基甲基碳酸酯和二氟代乙酸乙酯中的一种或多种；
所述环状砜类溶剂选自环丁砜；所述链状砜类溶剂选自甲基乙基砜、甲氧基乙基甲基砜、二甲基亚砜、甲基磺酰环戊烷和亚硫酸二甲酯中的一种或几种；
所述链状腈类溶剂选自乙腈、戊二腈、己二腈、3-甲氧基乙腈和(2,2,2-三氟)乙氧基丙腈中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液还包括添加剂；所述添加剂选自1,3-丙磺酸内酯、亚硫酸丙烯酯和乙酰胺中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的电解液，其特征在于，所述添加剂的质量占电解液的质量分数为0.01％～2％。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1～9任意一项所述的电解液。
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