CN108539267A - 一种锂离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本发明的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.2～1份，碳酸亚乙烯酯0.2～2.0份，硫酸乙烯酯0.5～2.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.2～1.0份，三(三甲基硅烷)硼酸酯或三(三甲基硅烷)磷酸酯0.2～1.0份。本发明的锂离子电池电解液用功能添加剂，不含氟苯，毒性小，多种添加剂配合使用，可在负极表面形成优良的SEI膜，在正极表面形成保护膜，能有效阻止电解液与正极表面的直接接触，同时减少金属离子的溶出，防止其对负极表面SEI膜的破坏，明显提升电池的循环性能。

Description

一种锂离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
锂离子电池自20世纪90年代实现商品化以来，凭借其各方面优越的性能而受到了广泛的关注。然而随着电动汽车的逐步发展，人们对锂离子电池的能量密度也提出了更高的要求。
Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2正极材料的克容量高达185mAh/g，其凭借着高容量、好的安全性能等优势，得到了大量研究者的密切关注。但NCM811高镍材料的一些特性，使其与电解液相容性很差，致使电池低温性能和循环性能较差。电池在充电过程中，正极材料的Ni2+逐渐被氧化为Ni4+，正极材料表面的电解液在其催化下发生氧化反应，消耗电解液，且反应产生气体容易引起电池鼓胀，影响电池循环性能；痕量水与电解液中的LiPF6反应生成HF，循环过程中溶解高镍正极材料中的过渡金属，并形成单质或低价氧化物沉积在负极表面，破坏负极SEI膜，影响电池的循环寿命；同时，由于其Li+传导性差，会造成电池阻抗增大，容量逐渐衰减。因此，研究一种适合高镍三元正极材料的电解液非常关键。
申请公布号为CN106848404A的中国发明专利公开了一种离子电池电解液用功能添加剂、电解液及锂离子电池，其中锂离子电池电解液，包括锂盐、有机溶剂，还包括功能添加剂，所述功能添加剂包括如下重量份数的组分组成：碳酸亚乙烯酯0.5～3份，二氟二草酸硼酸锂0.1～2份、二氟磷酸锂0.1～2份，氟苯3～5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.1～1份，该电解液充分利用了碳酸亚乙烯酯、氟苯、甲烷二磺酸亚甲酯三者的协同作用，形成高温性能良好的添加剂，在一定程度上提高了电池的高温性能，但是，但专利公开的电解液及相应的电解液功能添加剂中含有较多的氟苯，而氟苯具有较强的毒性，危害人类健康，另外，该专利公开的利用该专利公开的电解液的锂离子电池，其高温循环性能仍有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池电解液用功能添加剂，毒性小且能够提高锂离子电池的高温循环性能。
本发明的第二个目的在于提供一种锂离子电池电解液。
本发明的第三个目的在于提供一种锂离子电池。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.2～1份，碳酸亚乙烯酯0.2～2.0份，硫酸乙烯酯0.5～2.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.2～1.0份，三(三甲基硅烷)硼酸酯或三(三甲基硅烷)磷酸酯0.2～1.0份。
上述电解液用功能添加剂中含有三(三甲基硅烷)硼酸酯或三(三甲基硅烷)磷酸酯，具有B-O-Si或P-O-Si的硼硅化合物或磷硅化合物在负极上形成薄膜，抑制负极上的电解液分解，利于后续锂电池电容量的保持；另外，电解液中含有三(三甲基硅烷)硼酸酯或三(三甲基硅烷)磷酸酯，可以在正极表面生成大量有利于锂离子传输的有机降解物薄膜如R-CH2OCO2-Li或聚碳酸酯类，防止溶剂在正极表面的氧化分解，减少分解产物对锂离子电池电极的破坏，延长电池的储存寿命。
上述电解液用功能添加剂中含有硫酸乙烯酯，可优先分解成膜，其分解产物中S-O组分能够有效修饰和改善SEI膜的成分和结构，保护三元材料的稳定性。
上述碳酸亚乙烯酯，在石墨负极表面发生自由基聚合反应，生成聚烷基碳酸锂化合物，有效地抑制溶剂分子的共插反应，且对正极无副作用。
本发明的电解液用功能添加剂，多种添加剂配合使用，在负极表面形成一层致密、稳定的SEI膜，提高电池的高温存储性能和高温循环性能。二氟磷酸锂的加入能明显降低成膜阻抗，提升电池的倍率性能；三(三甲基硅烷)硼酸/磷酸酯、二氟磷酸锂和甲烷二磺酸亚甲酯等可在正极表面形成一层保护膜，有效阻止电解液与正极材料的直接接触，避免电解液在正极表面的催化氧化，提升电池的循环性能，同时能够减少金属离子的溶出，避免金属离子对负极SEI膜的破坏，进而改善电池的循环性能。
本发明的锂离子电池电解液用功能添加剂为适用于高镍三元材料的电解液用功能添加剂。
所述高镍三元材料为镍钴锰三元正极材料或镍钴铝三元材料。
所述镍钴锰三元材料为Li(NixCoyMnz)O2，0.6<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
所述镍钴铝三元材料为Li(NixCoyAlz)O2，0.7<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
一种锂离子电池电解液，包括锂盐、有机溶剂和上述电解液用功能添加剂。
所述锂盐的浓度为0.8～1.5mol/L。
所述锂盐为六氟磷酸锂、双(氟璜酰)亚胺锂、双(三氟甲基璜酰)亚胺锂中的任意一种或几种。
所述电解液中电解液用功能添加剂的质量分数为0.3％～10％。
所述有机溶剂为碳酸酯类的混合物。
优选的，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的三种以上。
优选的，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯。所述碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。有机溶剂对SEI膜的形成具有重要的作用。
本发明的锂离子电池电解液，采用上述功能添加剂，电解液交流阻抗明显降低，有利于提高锂离子电池的倍率性能和循环性能；该电解液在负极表面形成的SEI膜致密且稳定，同时在正极表面形成一层保护膜，能够明显提升锂离子电池的高温性能和循环性能。
一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液，所述电解液为上述锂离子电池电解液。
所述正极包括正极活性物质，所述正极活性物质为镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料。
所述镍钴锰三元材料为Li(NixCoyMnz)O2，0.6<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
所述镍钴铝三元材料为Li(NixCoyAlz)O2，0.7<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
上述负极包括负极活性物质，所述负极活性物质为石墨。
上述隔膜为单面涂覆陶瓷涂层的陶瓷隔膜。
本发明的锂离子电池电解液用功能添加剂，不含氟苯，毒性小，多种添加剂配合使用，可在负极表面形成优良的SEI膜，同时在正极表面形成一层保护膜，能有效阻止电解液与正极表面的直接接触，同时减少金属离子的溶出，防止其对负极表面SEI膜的破坏，明显提升电池的循环性能。
本发明的锂离子电池电解液，电解液交流阻抗明显降低，有利于提高锂离子电池的倍率性能和低温性能；该电解液在负极表面形成的SEI膜致密且稳定，同时在正极表面形成一层保护膜，能够明显提升锂离子电池的高温性能和循环性能。
本发明的锂离子电池，室温及高温循环性能优异，高温循环800次容量保持率仍在85％以上。
具体实施方式
实施例1
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂1份，碳酸亚乙烯酯2.0份，硫酸乙烯酯1.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.5份，三(三甲基硅烷)硼酸酯1.0份。
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂的制备包括以下步骤：将上述各组分混合均匀即得。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.2mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯2.0％，硫酸乙烯酯1.5％，二氟磷酸锂1.0％，三(三甲基硅烷)硼酸酯1％，甲烷二磺酸亚甲酯0.5％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池电解液的制备方法，包括以下步骤：将上述锂盐、有机溶剂、功能添加剂混合均匀即得。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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的电池，经活化后制成相应的锂离子电池A1。
实施例2
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.5份，碳酸亚乙烯酯1.0份，硫酸乙烯酯1.0份，甲烷二磺酸亚甲酯0.5份，三(三甲基硅烷)磷酸酯0.5份。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为0.8mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合物；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中的各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯1.0％，硫酸乙烯酯1.0％，二氟磷酸锂0.50％，三(三甲基硅烷)磷酸酯0.5％，甲烷二磺酸亚甲酯0.5％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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的电池，经活化后制成相应的锂离子电池A2。
实施例3
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.5份，碳酸亚乙烯酯2.0份，硫酸乙烯酯1.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.5份，三(三甲基硅烷)磷酸酯0.5份。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.1mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(三氟甲基磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合物；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中的各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯2.0％，硫酸乙烯酯1.5％，二氟磷酸锂0.5％，三(三甲基硅烷)磷酸酯0.5％，甲烷二磺酸亚甲酯0.5％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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的电池，经活化后制成相应的锂离子电池A3。
实施例4
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂1.0份，碳酸亚乙烯酯1.0份，硫酸乙烯酯1.5份，甲烷二磺酸亚甲酯1.0份，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5份。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.1mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(三氟甲基磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合物；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中的功能添加剂中的各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯1.0％，硫酸乙烯酯1.5％，二氟磷酸锂1.0％，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5％，甲烷二磺酸亚甲酯1.0％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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的锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A4。
实施例5
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂1.0份，碳酸亚乙烯酯2.0份，硫酸乙烯酯0.5份，甲烷二磺酸亚甲酯1.0份，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5份。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.1mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合物；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中的各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯2.0％，硫酸乙烯酯0.5％，二氟磷酸锂1.0％，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5％，甲烷二磺酸亚甲酯1.0％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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的锂离子电池，经活化后制成相应的锂离子电池A5。
实施例6
本实施例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.2份，碳酸亚乙烯酯0.2份，硫酸乙烯酯2.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.2份，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.2份。
本实施例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.5mol/L，锂盐为六氟磷酸锂；功能添加剂由以下组分组成：二氟磷酸锂，碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中的各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯0.2％，硫酸乙烯酯2.5％，二氟磷酸锂0.2％，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.2％，甲烷二磺酸亚甲酯0.2％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本实施例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Al0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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A6。
对比例
本对比例的锂离子电池电解液用功能添加剂，由以下重量份数的组分组成：碳酸亚乙烯酯2.0份，硫酸乙烯酯1份，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5份。
本对比例的锂离子电池电解液，包括锂盐，有机溶剂和功能添加剂，其中锂盐的浓度为1.1mol/L，锂盐为六氟磷酸锂和双(氟磺酰)亚胺锂按照摩尔比为6:1的混合物；功能添加剂由以下组分组成：碳酸亚乙烯酯，硫酸乙烯酯，三(三甲基硅烷)硼酸酯，上述功能添加剂中各组分在电解液中的质量分数为：碳酸亚乙烯酯2.0％，硫酸乙烯酯1.0％，三(三甲基硅烷)硼酸酯0.5％；其中有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的质量比为2.5：0.5：2：5。
本对比例的锂离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，电解液为上述的锂离子电池电解液；正极所用活性物质为Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2；负极所用活性物质为人造石墨；所用隔膜为单面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B1。
实验例
本实验例对实施例1～5及对比例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：1.0C倍率放电，1.0C倍率充电，电压范围2.75～4.25V，温度25±5℃；高温测试：1.0C倍率放电，1.0C倍率充电，电压范围2.75～4.25V，温度45±5℃，测试结果如表1所示。
表1实施例1-5所得锂离子电池的循环性能检测结果
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室温及高温循环性能明显优于对比例。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电解液用功能添加剂，其特征在于，由以下重量份数的组分组成：二氟磷酸锂0.2～1份，碳酸亚乙烯酯0.2～2.0份，硫酸乙烯酯0.5～2.5份，甲烷二磺酸亚甲酯0.2～1.0份，三(三甲基硅烷)硼酸酯或三(三甲基硅烷)磷酸酯0.2～1.0份。
2.一种锂离子电池电解液，其特征在于，包括锂盐、有机溶剂和权利要求1所述的电解液用功能添加剂。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐的浓度为0.8～1.5mol/L。
4.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐为六氟磷酸锂、双(氟璜酰)亚胺锂、双(三氟甲基璜酰)亚胺锂中的任意一种或几种。
5.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述电解液中电解液用功能添加剂的质量分数为0.3％～10％。
6.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的三种以上。
7.一种锂离子电池，包括正极、负极、隔膜、电解液，其特征在于，所述电解液为权利要求2所述的锂离子电池电解液。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极包括正极活性物质，所述正极活性物质为镍钴锰三元材料或镍钴铝三元材料。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述镍钴锰三元材料为Li(NixCoyMnz)O2，0.6<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述镍钴铝三元材料为Li(NixCoyAlz)O2，0.7<x≤0.8，y>0，z>0，x+y+z＝1。
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