CN108258315B - 一种组合式电解液及含有该组合式电解液的高比能硅基锂离子电池 - Google Patents
一种组合式电解液及含有该组合式电解液的高比能硅基锂离子电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种组合式电解液及含有该组合式电解液的高比能硅基锂离子电池,所述组合式电解液是由组分A、组分B和组分C组成,所述组分A为含有负极成膜添加剂的电解液,组分B为含有正极成膜添加剂的电解液,组分C为含有安全性添加剂的电解液;所述组分A、组分B和组分C是依次分别注入电池本体中的。本发明中的组合式电解液可以针对化成时正、负极材料的不同成膜特性以及使用过程中对电解液安全性进行不同的电解液添加剂组成设计,避免了正、负极成膜添加剂在成膜过程中的相互干扰,同时也避免了安全性添加剂对添加剂成膜过程和电化学性能的负面影响,从而使得高比能硅基电池在安全性改善的同时表现出更优异的容量和循环等电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,尤其涉及一种组合式电解液及含有该组合式电解液的高比能硅基锂离子电池。
背景技术
随着动力锂离子电池的广泛应用,对其能量密度、循环寿命和安全性能都提出了越来越高的要求,需要不断发展新的高能量密度电池体系。三元正极材料以及硅基负极材料由于极高的克容量以及相互匹配后更高的工作电压平台,已经成为下一代新型高比能电池体系的最佳选择。然而为了克服电极材料的结构不稳定性尤其是硅基负极膨胀问题,以及在电极表面形成更好的固态电解质界面,实现高比能硅基电池综合性能提升,必须开发与之匹配的高比能硅基锂离子电池电解液,该电解液通常含有正极成膜添加剂、负极成膜添加剂以及防过充、阻燃安全性添加剂等多种添加剂。但不同的添加剂之间除了存在协同作用之外,也可能存在相互干扰和制约,例如硫酸酯、磺酸酯类正极成膜添加剂虽然能够有效抑制三元正极材料金属离子溶出,但是同时在硅基负极表面成膜阻抗较高;磷酸酯类阻燃添加虽然可以有效减低电解液可燃性,从而降低了安全隐患,但同时对正、负极成膜反应产生负面影响,使得电池首效和循环性能降低。
目前为了实现高比能硅基锂离子电池综合性能的提升,避免不同电解液添加剂之间的相互干扰,一方面是大量筛选寻找具有高度反应选择性的添加剂,另一方面是不断优化不同电解液之间的组合方式和用量。但目前均没取得成果。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的是提出一种组合式电解液及含有该组合式电解液的高比能硅基锂离子电池。
与现有技术相比,本发明的技术方案是:
一种高比能硅基锂离子电池的组合式电解液,所述组合式电解液是由组分A、组分B和组分C组成,所述组分A为含有负极成膜添加剂的电解液,组分B为含有正极成膜添加剂的电解液,组分C为含有安全性添加剂的电解液;所述组分A、组分B和组分C是依次分别注入电池本体中的。
进一步方案,所述组分A是在电池一次化成阶段前注入,组分B是在电池二次化成阶段前注入,组分C是在电池二次化成阶段结束后注入的。
更进一步方案,所述一次化成和二次化成均是以0.02C倍率恒流充电至3.8V,再以0.02C放电至2.8V。
进一步方案,所述负极成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯脂、丁二酸酐中的至少一种;所述正极成膜添加剂为三甲基硅烷亚磷酸酯、三甲基硅烷磷酸酯、三甲基硅烷硼酸酯、己二腈、环丁砜中的至少一种;所述安全性添加剂为中联苯、环己基苯、二茂铁、三氟代甲基磷酸酯、六氟环三磷腈中的至少一种。
进一步方案,所述组分A、组分B和组分C中均含有等量的锂盐和溶剂,其中锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的至少一种组成;溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中至少两种组成。
更进一步方案,所述组合式电解液中锂盐的质量分数为10-20%、溶剂的质量分数为70-85%。
本发明的另一个发明目的是提供一种含上述组合式电解液的高比能硅基锂离子电池。
进一步方案,所述高比能硅基锂离子电池包括电池本体,所述电池本体上开设有一个注液口和两个气囊,从注液口注入组分A后对电池本体进行一次化成阶段;然后从其中一个气囊口注入组分B,密封后对电池本体进行二次化成阶段;化成阶段结束后再从另一个气囊口注入组分C后密封。
进一步方案,所述电池本体包括含阴极活性材料的正极和含阳极活性材料的负极,其中所述阳极活性材料为硅基负极材料,所述阴极活性材料为具有层状结构的锂离子嵌入过渡金属氧化物。
更进一步方案,所述阳极活性材料为硅、氧化亚硅或其与石墨的复合材料中的至少一种;所述阴极活性材料为镍钴锰酸锂三元正极材料。
本发明中组合式电解液是由组分A、组分B和组分C组成,所述组分A为含有负极成膜添加剂的电解液,组分B为含有正极成膜添加剂的电解液,组分C为含有安全性添加剂的电解液;所述组分A、组分B和组分C是依次分别注入电池本体中的,即组分A是在电池一次化成阶段前注入,组分B是在电池二次化成阶段前注入,组分C是在电池二次化成阶段结束后注入的。
在一次化成阶段只注入含有负极成膜添加剂的电解液组分,当锂离子电池在一次化成充电时,其先加入的组分A中的负极成膜添加剂会在电极材料表面形成惰性的固态电解质界面膜,从而阻止电解液与电极材料的进一步反应,保持电极材料结构的稳定性。在二次化成阶段只注入含有正极成膜添加剂的组分B,目的是在高电压条件下使得正极材料表面形成良好SEI膜。而化成结束后注入只含有安全添加剂的组分C,目的是在发挥阻燃添加剂作用同时不影响电池化成成膜过程。
本发明只是在现有电池工艺条件下增加两次注液操作,简便可行,但是却可以有效地避免正极成膜添加剂、负极成膜添加剂以及安全性添加剂等多种添加剂之间的相关干扰和共同使用时带来的负面作用。
本发明中的组合式电解液可以针对化成时正、负极材料的不同成膜特性以及使用过程中对电解液安全性要求进行不同的电解液添加剂组成设计,避免了正、负极成膜添加剂在成膜过程中的相互干扰,同时也避免了安全性添加剂对添加剂成膜过程和电化学性能的负面影响,从而使得高比能硅基电池在安全性改善的同时表现出更优异的容量和循环等电化学性能。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)与传统电解液相比,本发明在电池的一次化成和二次化成过程中分别加入含有负极成膜添加剂的组分A和含有正极成膜添加剂的组分B,从而避免了正、负极添加剂成膜反应时产生相互负面作用;并且不需要进行大量的添加剂组合优化以及用量筛选工作即可实现电解液的综合性能提升。
(2)与传统电解液相比,本发明在电池化成结束后才加入防过充、阻燃等安全性添加剂,没有对成膜过程产生影响,在不影响锂离子电池电化学性能的前提下有效提高了电池安全性能。
具体实施方式
在下述实施例以及对比例中,所使用的试剂、材料以及仪器如没有特殊说明,均可通过普通方式获得,其中所涉及的试剂均可通过常规合成方法获得。
实施例1
电解液1与实验电池1的制备
(1)正极片的制备
将正极活性物质NMC811三元材料、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏四氟乙烯按照质量比NMC811:乙炔黑:聚四氟乙烯=95:2.5:2.5进行混合,加入N甲基吡咯烷酮,充分搅拌混匀,形成均匀的正极浆料并均匀涂覆在15微米厚铝箔上,烘干后得到正极片。
(2)负极片制备
将负极活性物质氧化亚硅-石墨(SiO-C)负极材料、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶、增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比硅基负极材料:乙炔黑:丁苯橡胶:增稠剂=95:2:2:1进行混合,加入去离子水,充分搅拌混匀,形成均匀的负极浆料并均匀涂覆在8微米厚铜箔上,烘干后得到负极片。
(3)组合式电解液1的制备
在控制水分≤10ppm的氩气手套箱内,将碳酸乙烯酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)按照质量比EC:EMC=3:7进行混合均匀,随后缓慢加入质量分数为14%的六氟磷酸锂,待锂盐完全溶解后将混合溶液等分为三份,分别标记为组分A、组分B、组分C,其中组分A中加入占整个组合式电解液质量5%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的碳酸乙烯酯(VC),组分B中加入占整个组合式电解液质量2%的三甲基硅烷亚磷酸酯(TMSPi),组分C中加入占整个组合式电解液质量2%的环己基苯(CHB)。
(4)实验电池1的制备
将露点控制-40℃以下的干燥环境中将正极片、隔膜、负极片按顺序叠放,保证隔膜完全将正负极片隔开形成叠片电芯,然后焊接正、负极极耳并将电芯封装在固定尺寸的铝塑膜内,形成待注液的软包电池本体,电池边缘留有两个气囊。
(5)实验电池1的注液、化成与分容
在手套箱操作环境中(水含量≤1ppm,氧含量<1ppm),先将组合式电解液中的组分A从电池注液口中注入到电池本体中,以0.02C倍率恒流充电至3.8V,以0.02C放电至2.8V;然后在手套箱将电池本体上的一个气囊剪开并注入组分B后真空密封,以0.02C倍率恒流充电至3.8V,以0.02C放电至2.8V;最后在手套箱将电池本体的另一个气囊剪开并注入组分C后真空密封,得高比能硅基针离子电池,记为实验电池1;再以1C倍率恒流充电至4.2V,以1C放电至2.8V,此次放电容量作为分容容量。
实施例2
组合式电解液2与实验电池2的制备与实施例1中组合式电解液1与实验电池1的制备过程基本相同,唯一不同点是步骤(3)中组分A中加入占整个组合式电解液质量10%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的碳酸乙烯酯(VC);组分B加入占整个组合式电解液质量5%的三甲基硅烷亚磷酸酯(TMSPi);组分C中加入占整个电解液质量5%的环己基苯(CHB)。
最后所得高比能硅基针离子电池,记为实验电池2。
实施例3
组合式电解液3与实验电池3的制备与实施例1中组合式电解液1与实验电池1的制备过程基本相同,唯一不同点是步骤(3)中组分A中加入占整个组合式电解液质量5%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的丁二酸酐(SA);组分B加入占整个组合式电解液质量2%的三甲基硅烷硼酸酯(TMSPi);组分C中加入占整个组合式电解液质量2%的六氟环三磷腈(TFPN)。
最后所得高比能硅基针离子电池,记为实验电池3。
对比例1
电解液4和实验电池4的制备。
(1)正极片的制备
将正极活性物质NMC811三元材料、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏四氟乙烯按照质量比NMC811:乙炔黑:聚四氟乙烯=95:2.5:2.5进行混合,加入N甲基吡咯烷酮,充分搅拌混匀,形成均匀的正极浆料并均匀涂覆在15微米厚铝箔上,烘干后得到正极片。
(2)负极片制备
将负极活性物质氧化亚硅-石墨(SiO-C)负极材料、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶、增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比硅基负极材料:乙炔黑:丁苯橡胶:增稠剂=95:2:2:1进行混合,加入去离子水,充分搅拌混匀,形成均匀的负极浆料并均匀涂覆在8微米厚铜箔上,烘干后得到负极片。
(3)电解液4的制备
在控制水分≤10ppm的氩气手套箱内,将碳酸乙烯酯(EC)与碳酸甲乙酯(EMC)按照质量比EC:EMC=3:7进行混合均匀,随后缓慢加入质量分数为14%的六氟磷酸锂,待锂盐完全溶解后依次加入占电解液总质量10%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的碳酸乙烯酯(VC),2%的三甲基硅烷亚磷酸酯(TMSPi),2%环己基苯,混合均匀后形成电解液4
(4)实验电池4的制备
将露点控制-40℃以下的干燥环境中将正极片、隔膜片、负极片按顺序叠放,保证隔膜完全将正负极片隔开形成叠片电芯,然后焊接正、负极极耳并将电芯封装在固定尺寸的铝塑膜内,形成待注液的软包电池,电池边缘留有一个气囊。
(5)实验电池4的注液、化成与分容
在手套箱操作环境中(水含量≤1ppm,氧含量<1ppm)将实验电解液4注入到实验电池1中,以0.02C倍率恒流充电至3.8V,以0.02C放电至2.8V;在手套箱将实验电芯一个气囊剪开排气后真空密封;以1C倍率恒流充电至4.2V,以1C放电至2.8V,此次放电容量作为分容容量。
对比例2
电解液5与实验电池5的制备与对比例4中电解液4与实验电池4的制备过程基本相同,唯一不同点是步骤(3)中待锂盐完全溶解后依次加入占电解液总质量10%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的碳酸乙烯酯(VC),5%的三甲基硅烷亚磷酸酯(TMSPi),5%的环己基苯(CHB)。
对比例3
电解液6与实验电池6的制备与对比例4中电解液4与实验电池4的制备过程基本相同,唯一不同点是步骤(3)中待锂盐完全溶解后依次5%的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、2%的丁二酸酐(SA),2%的三甲基硅烷硼酸酯(TMSPi),2%的六氟环三磷腈(TFPN)。
测试例1:实验电池的电化学性能与安全性能测试
(1)实验电池的25℃充放电循环测试
将上述实施倒1-3和对比例1-3制备并分容后的实验电池1-6分别置于25℃恒温箱内,并与充放电测试仪连接,先以1C电流恒流恒压充电至4.2V,设置截止电流为0.01C;搁置10min后再以1C电流恒流放电至2.8V,如此进行循环充放电测试100周,记录下每次放电容量,分别计算第100周容量保持率(%)=第100周放电容量/首周放电容量*100%。
(2)实验电池的55℃充放电循环测试
将上述实施倒1-3和对比例1-3制备并分容后的实验电池置于55℃恒温箱内并与充放电测试仪连接,先以1C电流恒流恒压充电至4.2V,设置截止电流为0.01C;搁置10min后再以1C电流恒流放电至2.8V,如此进行循环充放电测试100周,记录下每次放电容量,分别计算第100周容量保持率(%)=第100周放电容量/首周放电容量*100%。
(3)电解液的阻燃性测试
采用自熄灭法检测上述实施例1-3和对比例1-3中所得的电解液样品的阻燃性能,具体方法如下:将质量为m1,直径为0.3cm的玻璃棉球浸泡在待测阻燃锂离子电池电解液中,待充分润湿后称出其质量m2.将该玻璃棉球放置于铁丝圈中,用点火装置点燃,记录从点燃到火焰熄灭时的时间T,通过单位质量电解液的自熄灭时间t作为衡量电解液阻燃性能的标准,计算公式为:t=T/(m2-m1),每次样品测量结果取三次测量的平均值。
(4)电解液的过充性能测试
将上述实施倒1-3和对比例1-3制备并分容后的实验电池置于25℃环境下搁置1小时,以1C恒流充电90min后结束,充电过程中电池样品不起火、爆炸、不漏液和不产生明显变形,即为过充测试通过。
表1实施例与对比例中制备的电解液样品配方对比
表2实施例与对比例中制备的实验电池样品的性能测试结果
以上表1是实施例以及对比例中电解液1-6的配方组成表,表2是实施例与对比例中电解液制备的实验电池样品1-6的电化学性能以及安全性能测试结果,从对比实施例1-3与对比例1-3中的实验电池的分容容量可以看出:
(1)本发明实施例1-3所得电池的分容容量明显高于对比例1-3,主要原因是实施例1-3中的所用的电解液1-3是组合式,且分批加入的,其在化成结束后再加入环己基苯、六氟环三磷腈等安全添加剂,不影响电池的成膜过程和容量发挥;
(2)可以发现当实施例中采用这种组合式锂离子电解液时,安全添加剂的阻燃或者防过充效果与对比例中电解液类似,说明安全添加剂不参加成膜过程,也不会影响其安全性防护作用的发挥;
(3)从循环性能可以看出,本申请实施例1-3中采用组合式电解液后,常温和高温循环性能均有效提升,主要原因是正、负成膜添加剂能够有针对性地只在相应电极材料表面成膜,而对比例1-3电解液中不同添加剂之间产生负面相互作用,因此可以实现锂离子电池的综合循环性能提升。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种组合式电解液,其特征在于:所述组合式电解液是由组分A、组分B和组分C组成,所述组分A为含有负极成膜添加剂的电解液,组分B为含有正极成膜添加剂的电解液,组分C为含有安全性添加剂的电解液;所述组分A、组分B和组分C是依次分别注入电池本体中的;所述组分A是在电池一次化成阶段前注入,组分B是在电池二次化成阶段前注入,组分C是在电池二次化成阶段结束后注入的。
2.根据权利要求1所述的组合式电解液,其特征在于:所述一次化成和二次化成均是以0.02C倍率恒流充电至3.8V,再以0.02C放电至2.8V。
3.根据权利要求1所述的组合式电解液,其特征在于:所述负极成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯脂、丁二酸酐中的至少一种;所述正极成膜添加剂为三甲基硅烷亚磷酸酯、三甲基硅烷磷酸酯、三甲基硅烷硼酸酯、己二腈、环丁砜中的至少一种;所述安全性添加剂为中联苯、环己基苯、二茂铁、三氟代甲基磷酸酯、六氟环三磷腈中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的组合式电解液,其特征在于:所述组分A、组分B和组分C中均含有等量的锂盐和溶剂,其中锂盐为六氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂中的至少一种组成;溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中至少两种组成。
5.根据权利要求4所述的组合式电解液,其特征在于:所述组合式电解液中锂盐的质量分数为10-20%、溶剂的质量分数为70-85%。
6.一种含有如权利要求1所述的组合式电解液的高比能硅基锂离子电池。
7.根据权利要求6所述高比能硅基锂离子电池,其特征在于:所述高比能硅基锂离子电池包括电池本体,所述电池本体上开设有一个注液口和两个气囊,从注液口注入组分A后对电池本体进行一次化成阶段;然后从其中一个气囊口注入组分B,密封后对电池本体进行二次化成阶段;化成阶段结束后再从另一个气囊口注入组分C后密封。
8.根据权利要求7所述高比能硅基锂离子电池,其特征在于:所述电池本体包括含阴极活性材料的正极和含阳极活性材料的负极,其中所述阳极活性材料为硅基负极材料,所述阴极活性材料为具有层状结构的锂离子嵌入过渡金属氧化物。
9.根据权利要求8所述高比能硅基锂离子电池,其特征在于:所述阳极活性材料为硅、氧化亚硅或氧化亚硅与石墨的复合材料中的至少一种;所述阴极活性材料为镍钴锰酸锂三元正极材料。
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