CN108110322A - 一种用于锂离子电池的非水电解液及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种用于锂离子电池的非水电解液及锂离子电池。本申请的非水电解液包括组分A和组分B;所述组分A包括选自结构式1所示的氟代环状碳酸酯中至少一种,同时还包括结构式2所示的烷基取代环状碳酸酯中至少一种或/和结构式3所示的氟代羧酸酯中的至少一种;所述组分B包括结构式4所示的不饱和磷酸酯中的至少一种或/和结构式5所示的环状羧酸酐中的至少一种本申请提供的非水电解液通过组分A和组分B配合协同作用,既提高了负极钝化膜的热稳定性,同时又不会明显增加电池阻抗,产生了两者单独使用不具有的特殊效果。
Description
技术领域
本申请涉及锂离子电池电解液领域,特别是涉及一种用于锂离子电池的非水电解液及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因其具有质量轻、体积小、工作电压高、能量密度高、输出功率大、无记忆效应和循环寿命长等优点,不仅在手机、笔记本电脑等数码产品领域得到了广泛的应用,而且也被认为是电动车、大型储能装置的最佳选择之一。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。提高锂离子电池的充电电压是提高电池能量密度的最有效途径之一。
目前锂离子电池电解液采用碳酸酯作为溶剂,当锂离子电池的充电电压大于4.2V,碳酸酯溶剂会在正极材料表面被氧化分解,产生气体和其它分解产物。一方面,产生的气体会导致电池鼓胀,给电池带来安全隐患,另一方面,其分解产物会明显增加电池的阻抗,从而降低电池的各个性能。因此,对于高电压锂离子电池,有必要开发比碳酸酯氧化电位更高的溶剂。据文献报道(Electrochemistry Communications 44(2014)34–37),氟代碳酸酯能够明显改善高电压锂离子电池的高温循环性能。但本申请人发现,氟代碳酸酯虽然可以改善高温循环性能,但电池高温储存产气严重,具有安全隐患。中国专利申请CN104704657A中公开了一种含氟取代的羧酸酯的电解液,能够改善高电压锂离子电池的高温循环性能。但本申请人发现,氟代羧酸酯与碳负极材料的兼容性能不好,在电池充电过程中,会在负极表面被还原分解产生大量的气体,这个电池带来极大的安全隐患,同时明显恶化电池的性能。中国专利201410534841.0公开了一种含叁键的磷酸酯化合物新型成膜添加剂,其不仅可以改善高温循环性能,还能明显改善储存性能。但本领域的科技工作者在研究中发现,含叁键的磷酸酯添加剂在电极界面所形成的钝化膜导电性较差,导致界面阻抗较大,明显劣化了低温性能,抑制了非水锂离子电池在低温条件下的应用。专利文献报道环状羧酸酐能够改善高温储存性能。但本发明者发现,环状羧酸酐在以碳酸酯为溶剂的电解液基础上,明显增加电池阻抗,降低电池低温放电性能及倍率性能。
发明内容
本申请的目的是提供一种用于锂离子电池非水电解液及其应用。
为了实现上述目的,本申请采用了以下技术方案:
本申请的一方面公开了一种用于锂离子电池的非水电解液,包括组分A和组分B;所述组分A包括选自结构式1所示的氟代环状碳酸酯中至少一种,同时还包括结构式2所示的烷基取代环状碳酸酯中至少一种或/和结构式3所示的氟代羧酸酯中的至少一种;所述组分B包括结构式4所示的不饱和磷酸酯中的至少一种或/和结构式5所示的环状羧酸酐中的至少一种;
结构式1:
其中,R1为氟元素或碳原子数为1-4的含氟烃基,R2、R3、R4分别独立选自氢元素、氟元素、碳原子数为1-4的烃基或碳原子数为1-4的含氟烃基;
结构式2:
其中R5为碳原子数为1-4的烃基,R6、R7、R8分别独立选自氢元素或碳原子数为1-4的烃基;
结构式3:R9COOR10,
其中,R9、R10分别独立的选自碳原子数为1-4的烃基或碳原子数为1-4的氟代烃基,且R9和R10中至少一个为所述氟代烃基;所述氟代烃基中至少含有两个氟原子;
结构式4
其中,R11为碳原子数为1-4的不饱和烃基,R12、R13分别独立的选自碳原子数为1-4的饱和烃基、碳原子数为1-4的不饱和烃基或碳原子数为1-4的卤代烃基;
结构式5
其中R14选自碳原子数为2-4的亚烷基、亚烯基、或碳原子数为2-4的含氟亚烷基、含氟亚烯基。
需要说明的是,本申请的非水电解液,其关键在于,组分A和组分B配合使用,两者协同作用。组分A中的氟代碳酸酯和氟代羧酸酯由于耐氧化性比碳酸酯高,能够提高电解液的氧化分解电位。此外,氟代碳酸酯和氟代羧酸酯能够在负极表面形成钝化膜,抑制了电解液的分解反应。但是氟代碳酸酯溶剂在电池高温储存过程中,钝化膜的热稳定性不够理想,产生大量的气体,降低了电池的高温储存性能。氟代羧酸酯溶剂在电池首次充电过程中,在负极表面分解产生大量的气体,导致电极片之间的接触变差,从而降低电池的性能。组分B的不饱和磷酸酯或环状羧酸酐虽然能够在正负极表面形成钝化膜,但明显增加电池内阻,显著降低电池的低温性能。本申请将组分A和组分B同时使用时,由于组分A在正负极表面发生成膜反应时,组分B也会参与正负极成膜反应,使得正负极钝化层成分既包含组分A的分解产物也包含组分B的分解产物,改善了正负极界面情况。既提高了负极钝化膜的热稳定性,保证了电池高温性能,同时又不会明显增加电池阻抗,兼顾了电池的低温性能。本申请将组分A和组分B一起使用,两者协同作用,产生了两者单独使用不具有的特殊效果。
上述电解液中,组分A含量占非水电解液总重量的10-90%,组分B含量占非水电解液总重量的0.1-3%。
本发明中,结构式1所示的化合物为必含成分,其与结构式2或/和结构式3所示物质共同作为溶剂使用。即,根据本发明,组分A可为结构式1所示的化合物和结构式2所示化合物,或者结构式1所示的化合物和结构式3所示化合物,也可以采用结构式1所示的化合物、结构式2所示化合物和结构式3所示化合物共同作为组分A使用。
优选的,结构式1所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%。
组分A中,当含有结构式2所示化合物时,优选的,结构式2所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%,更优选为5-30%。当含有结构式3所示化合物时,优选的,结构式3所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%,更优选为20-70%。
本发明中,组分B为结构式4或/和结构式5所示化合物。组分B中,当含有结构式4所示化合物时,优选的,结构式4所示化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-3%。当含有结构式5所示化合物时,优选的,结构式5所示化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-3%。
优选的,结构式1所示化合物为氟代环状碳酸酯,优选情况下,结构式1所示化合物选自下列结构式一种或多种,
优选的,结构式2所示化合物为烷基取代环状碳酸酯,优选情况下,结构2所示化合物选自下列结构式一种或多种,
优选的,所述结构式3中,碳原子数为1-5的烃基选自甲基、乙基、丙基、丁基;所述氟代烃基选自氟代甲基、氟代乙基、氟代丙基、氟代丁基。
优选的,结构式3所示的氟代羧酸酯化合物选自H3CCOOCH2CF2H(3-1,缩写为DFEA)、H3CH2CCOOCH2CF2H(3-2,缩写为DFEP)、HF2CH2CCOOCH3(3-3,缩写为MDFP)、HF2CH2CCOOCH2CH3(3-4,缩写为EDFP)、HF2CH2CH2CCOOCH2CH3(3-5,缩写为EDFB)、H3CCOOCH2CH2CF2H(3-6,缩写为DFPA)、H3CH2CCOOCH2CH2CF2H(3-7,缩写为DFPP)、CH3COOCH2CF3(3-8,缩写为TFEA)、HCOOCH2CHF2(3-9,缩写为DFEF)、HCOOCH2CF3、CH3COOCH2CF2CF2H(3-10,缩写为TFPA)中的一种或多种。
优选的,结构式4中碳原子数为1-4的饱和烃基包括但不仅限于甲基、乙基、丙基;碳原子数为1-4的不饱和烃基包括但不仅限于乙烯基、烯丙基、3-丁烯基、异丁烯基、乙炔基、炔丙基、3-丁炔基、1-甲基-2丙炔基;所述卤代烃基包括但不仅限于二氟甲基、三氟甲基、2,2-二氟乙基、2,2,2-三氟乙基、3,3-二氟丙基、3,3,3-三氟丙基、六氟异丙基。
优选的,结构式4所示的不饱和磷酸酯化合物选自磷酸三炔丙酯(4-1)、二炔丙基甲基磷酸酯(4-2)、二炔丙基乙基磷酸酯(4-3)、二炔丙基丙基磷酸酯(4-4)、二炔丙基三氟甲基磷酸酯(4-5)、二炔丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯(4-6)、二炔丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯(4-7)、二炔丙基六氟异丙基磷酸酯(4-8)、磷酸三烯丙酯(4-9)、二烯丙基甲基磷酸酯(4-10)、二烯丙基乙基磷酸酯(4-11)、二烯丙基丙基磷酸酯(4-12)、二烯丙基三氟甲基磷酸酯(4-13)、二烯丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯(4-14)、二烯丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯(4-15)、二烯丙基六氟异丙基磷酸酯(4-16)中的一种或多种。
优选的,结构式5所示的环状羧酸酐选自丁二酸酐(5-1,缩写为SA),马来酸酐(5-2,缩写为MA)、2-甲基马来酸酐(5-3,缩写为CA)中一种或多种。
优选的,所述非水电解液还包括不饱和环状碳酸酯、环状磺酸内酯、环状硫酸酯中的至少一种。
优选的,所述不饱和环状碳酸酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%,环状磺酸内酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%,环状硫酸酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%。
优选的,所述不饱和环状碳酸酯选自碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙烯乙酯中至少一种。
优选的,所述环状硫酸酯选自下列物质中的至少一种:
优选的,所述环状磺酸内酯选自1,3-丙烷磺内酯(缩写为PS)、1,4-丁烷磺内酯(缩写为BS)、1,3-丙烯磺内酯(缩写为PST)、甲烷二磺酸亚甲酯(缩写为MMDS)中的至少一种。
优选的,非水电解液还包括选自碳酸乙烯酯、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、碳酸甲丙酯中的至少一种。其含量可在较大范围内变动,优选情况下,其含量占非水电解液总重量的1%-40%。可以理解的,当含有上述物质中的多种时,上述含量范围为上述多种物质的总含量所占比例。
本申请的另一面公开了一种锂离子电池,包括正极、负极、置于正极和负极之间的隔膜,以及电解液,其中,电解液为本申请的锂离子电池非水电解液。
优选的,正极的活性物质为LiNixCoyMnzL(1-x-y-z)O2、LiCox’L(1-x’)O2和LiNix”L’y’Mn(2-x”-y’)O4中的至少一种,其中,L为Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si或Fe,0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,0<x+y+z≤1,0<x’≤1,0.3≤x”≤0.6,0.01≤y’≤0.2,L’为Co、Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si或Fe。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明,不应理解为对本申请的限制。
实施例
本例按照表1所示的组分和配比制备电解液,其中,设计了多个本申请的用于锂离子电池的非水电解液,以及多个对比例,详见表1。
本例的电解液的制备方法为:按照表1所示的体积比配制非水有机溶剂,然后向其中加入最终浓度为1.0mol/L的六氟磷酸锂,再按表1加入添加剂。表1中的百分比为重量百分比,即添加剂占电解液总重量的百分比,电解液中锂盐含量为12.5%,其余为溶剂级添加剂。
表1电解液中各组分及用量
本例的锂离子电池,正极活性物质采用LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2,负极采用石墨和导电炭黑,隔膜采用聚丙烯、聚乙烯和聚丙烯三层隔离膜。具体如下:
正极制备方法为:按96.8:2.0:1.2的质量比混合正极活性材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、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120-150μm之间。
负极制备方法为: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,极板的厚度在120-150μm之间。
隔膜制备方法为:采用聚丙烯、聚乙烯和聚丙烯三层隔离膜,厚度为20μm。
电池组装方法为:在正极板和负极板之间放置厚度为20μm的三层隔离膜,然后将正极板、负极板和隔膜组成的三明治结构进行卷绕,再将卷绕体压扁后放入铝箔包装袋,在85℃下真空烘烤24h,得到待注液的电芯;将上述制备的电解液注入电芯中,经真空封装,静止24h。
电池化成:0.05C恒流充电180min,0.1C恒流充电至3.95V,二次真空封口,45℃搁置48h,然后进一步以0.2C的电流恒流充电至4.4V,以0.2C的电流恒流放电至3.0V。
本例分别测试了各个电解液锂离子电池,45℃1C循环400周容量保持率以及60℃下存储30天后的容量保持率、容量恢复率和厚度膨胀率。其中60℃下存储30天后是指,对比例的电解液,其锂离子电池在60℃下存储30天后进行测试,试验例在60℃下存储30天后进行测试。具体测试方法如下:
(1)45℃1C循环400周容量保持率,实际上体现的是电池的高温循环性能,具体测试方法包括:在45℃下,将化成后的电池用1C恒流恒压充至4.4V,截至电流为0.01C,然后用1C恒流放电至3.0V,如此循环400周。容量保持率计算公式如下:
容量保持率(%)=(第400周循环放电容量/第1周循环放电容量)×100%。
(2)60℃下存储30天后的容量保持率、容量恢复率和厚度膨胀率的测试方法包括:将化成后的电池在常温下用1C恒流恒压充至4.4V,截至电流为0.01C,再1C恒流放电至3.0V,测量电池初始放电容量,再用1C恒流恒压充电至4.4V,截至电流为0.01C,测量电池的初始厚度,然后在60℃储存30天后,测量电池的厚度,再以1C恒流放电至3.0V,测量电池的保持容量,再用1C恒流恒压充截至电流为0.01C,然后以1C的电流恒流放电至3.0V,测量其恢复容量。计算公式如下:
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%
电池厚度膨胀率(%)=(30天后的厚度-初始厚度)/初始厚度×100%。
(3)低温放电性能测试
在25℃下,将化成后的电池用1C恒流恒压充至4.4V,然后恒压充电至电流下降至0.01C,然后用1C恒流放电至3.0V,记录常温放电容量。然后1C恒流充至4.4V,再恒压充电至电流下降至0.01C,将电池置于-20℃的环境中搁置12h后,再0.2C恒流放电至3.0V,记录-20℃放电容量。
-20℃的低温放电效率=0.2C放电容量(-20℃)/1C放电容量(25℃)×100%。
各项测试结果如表2所示。
表2测试结果
从表2的测试结果可以看出,与碳酸酯溶剂相比,氟代溶剂虽然可以改善电池的高温循环性能及低温放电性能,但高温储存产气量大,存在安全隐患。不饱和磷酸酯或/和环状羧酸酐添加剂虽然能够同时改善高温循环及高温储存性能,但改善幅度有限,有待进一步提高,且低温放电性能较差。通过将氟代溶剂与不饱和磷酸酯或/和环状羧酸酐组合,可以明显改善电池的高温储存及高温循环性能,同时兼顾低温放电性能。由于氟代溶剂与不饱和磷酸酯或/环状羧酸酐之间存在一定的协同作用,产生了单组分不具有的效果。进一步添加不饱和环状碳酸酯或环状磺内酯或环状硫酸酯,可以进一步提高电池的高温储存及高温循环性能。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明,不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (15)
1.一种用于锂离子电池的非水电解液,包括组分A和组分B;其特征在于,所述组分A包括选自结构式1所示的氟代环状碳酸酯中至少一种,同时还包括结构式2所示的烷基取代环状碳酸酯中至少一种或/和结构式3所示的氟代羧酸酯中的至少一种;所述组分B包括结构式4所示的不饱和磷酸酯中的至少一种或/和结构式5所示的环状羧酸酐中的至少一种;
结构式1:
其中,R1为氟元素或碳原子数为1-4的含氟烃基,R2、R3、R4分别独立选自氢元素、氟元素、碳原子数为1-4的烃基或碳原子数为1-4的含氟烃基;
结构式2:
其中R5为碳原子数为1-4的烃基,R6、R7、R8分别独立选自氢元素或碳原子数为1-4的烃基;
结构式3:R9COOR10,
其中,R9、R10分别独立的选自碳原子数为1-4的烃基或碳原子数为1-4的氟代烃基,且R9和R10中至少一个为所述氟代烃基;所述氟代烃基中至少含有两个氟原子;
结构式4
其中,R11为碳原子数为1-4的不饱和烃基,R12、R13分别独立的选自碳原子数为1-4的饱和烃基、碳原子数为1-4的不饱和烃基或碳原子数为1-4的氟代烃基;
结构式5
其中R14选自碳原子数为2-4的亚烷基、亚烯基、或碳原子数为2-4的含氟亚烷基、含氟亚烯基。
2.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,组分A含量占非水电解液总重量的10-90%,组分B含量占非水电解液总重量的0.1-3%。
3.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述结构式1所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%,结构式2所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%,结构式3所示化合物用量占非水电解液总重量的5%-80%,结构式4所示化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-3%,结构式5所示化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-3%。
4.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述结构式1所示的氟代环状碳酸酯选自式1-1、式1-2、式1-3、式1-4所示物质中的一种或多种:
5.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述结构式2所示的烷基取代环状碳酸酯选自式2-1、式2-2、式2-3所示物质中的一种或多种:
6.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述结构式3中,碳原子数为1-5的烃基选自甲基、乙基、丙基、丁基;所述氟代烃基选自氟代甲基、氟代乙基、氟代丙基、氟代丁基。
7.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述结构式3所示的氟代羧酸酯选自H3CCOOCH2CF2H、H3CH2CCOOCH2CF2H、HF2CH2CCOOCH3、HF2CH2CCOOCH2CH3、HF2CH2CH2CCOOCH2CH3、H3CCOOCH2CH2CF2H、H3CH2CCOOCH2CH2CF2H、CH3COOCH2CF3、HCOOCH2CHF2、HCOOCH2CF3、CH3COOCH2CF2CF2H中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于:所述结构式4中,碳原子数为1-4的饱和烃基包括但不仅限于甲基、乙基、丙基;碳原子数为1-4的不饱和烃基包括但不仅限于乙烯基、烯丙基、3-丁烯基、异丁烯基、乙炔基、炔丙基、3-丁炔基、1-甲基-2丙炔基;所述卤代烃基包括但不仅限于二氟甲基、三氟甲基、2,2-二氟乙基、2,2,2-三氟乙基、3,3-二氟丙基、3,3,3-三氟丙基、六氟异丙基。
9.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于:所述结构式4所示的不饱和磷酸酯选自化合物选自磷酸三炔丙酯、二炔丙基甲基磷酸酯、二炔丙基乙基磷酸酯、二炔丙基丙基磷酸酯、二炔丙基三氟甲基磷酸酯、二炔丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二炔丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯、二炔丙基六氟异丙基磷酸酯、磷酸三烯丙酯、二烯丙基甲基磷酸酯、二烯丙基乙基磷酸酯、二烯丙基丙基磷酸酯、二烯丙基三氟甲基磷酸酯、二烯丙基2,2,2-三氟乙基磷酸酯、二烯丙基3,3,3-三氟丙基磷酸酯或二烯丙基六氟异丙基磷酸酯中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于:所述结构式5所示的环状羧酸酐选自化合物选自马来酸酐、2-甲基马来酸酐、丁二酸酐、戊二酸酐中的至少一种。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的非水电解液,其特征在于,所述非水电解液还包括不饱和环状碳酸酯、环状磺酸内酯、环状硫酸酯中的至少一种;
所述不饱和环状碳酸酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%,所述环状磺酸内酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%,所述环状硫酸酯化合物用量占非水电解液总重量的0.1%-5%。
12.根据权利要求11所述的非水电解液,其特征在于,所述不饱和环状碳酸酯选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种;
所述环状磺酸内酯选自1,3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯和甲烷二磺酸亚甲酯中的至少一种;
所述环状硫酸酯选自下述结构所示物质中的一种或多种:
13.根据权利要求1-12任一项所述的非水电解液,其特征在于:所述非水电解液还包括选自碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯中的至少一种。
14.一种锂离子电池,包括正极、负极、置于正极和负极之间的隔膜,以及电解液,其特征在于:所述电解液为权利要求1-13任一项所述的非水电解液。
15.根据权利要求14所述的锂离子电池,其特征在于:所述正极的活性物质为LiNixCoyMnzL(1-x-y-z)O2、LiCox’L(1-x’)O2和LiNix”L’y’Mn(2-x”-y’)O4中的至少一种,其中,L为Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si或Fe,0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,0<x+y+z≤1,0<x’≤1,0.3≤x”≤0.6,0.01≤y’≤0.2,L’为Co、Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si或Fe。
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