CN108808091A - 一种锂离子电池用高浸润性电解液及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池用高浸润性电解液及锂离子电池，该电解液成分包括锂盐电解质、有机溶剂和其它功能添加剂，还包括加入量为0.01‑5wt%的改善浸润性添加剂，所述改善浸润性添加剂为间甲苯磺酸盐类浸润性添加剂。本发明通过在电解液中添加浸润添加剂，提高了锂电池正负极片的吸液效率，增加了电池吸液的一致性，改善了电芯化成后界面的一致性，提高了电芯的生产效率和品质。

Description

一种锂离子电池用高浸润性电解液及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用高浸润性电解液及锂离子电池。
背景技术
锂离子电池作为一种“摇椅”式二次电池，相比于传统的二次电池，具有能量密度高、放电电压高、自放电小、无记忆效应、对环境污染小等优点，广泛应用于3C电子产品、便携式电子设备、电动工具、电动汽车、军工、航空航天等领域。特别是最近几年，国家对新能源汽车的大力推广，锂电池的需求急剧增长。
随着国家补助政策的改变以及人们对电动汽车续航里程的要求不断增加，如何提高锂电池的能量密度成为人们研究的重点。提高锂电池能量密度现阶段人们采用以下三种方式：(1)减轻整体电芯的重量，即使用更薄的、强度更大的正负极集流体、壳体和盖板；(2)使用克容量更高的正负极材料；(3)使用更高压实密度的正负极材料，更大限度提高电池的空间利用率，但随着电池材料压实的提升，使用原有电解液出现极片吸液困难，注液时间增加，极片吸液一致性差等问题。这些问题会造成电池生产周期变长，生产效率降低，电池一致性差，电性能恶化，甚至发生负极析锂引起安全问题。因此，开发新型电解液，解决高压实条件下锂电池极片吸液困难、吸液一致性差的问题，成为当前的重中之重。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种锂离子电池用高浸润性电解液及锂离子电池，改善电解液的浸润性，提高电池的生产效率及电性能的一致性。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池用高浸润性电解液，该电解液成分包括锂盐电解质、有机溶剂和其它功能添加剂，还包括加入量为0.01-5wt％的改善浸润性添加剂，所述改善浸润性添加剂为如下式所示：
其中R1、R2各自独立的选自C4-16烷基、C4-20环烷基、C4-20烯基、C4-14炔基、C5-26芳基、C5-26杂芳基及其部分氟代或全氟代物的一种；M1、M2各自独立的选自Li+、Na+、K+的一种。
进一步方案，所述改善浸润性添加剂为如下式所示：
其中R1、R2各自独立的选自R1、R2为C8-14的链状烷基、C8-18的环烷基及其氟代物中的一种；M1、M2各自独立的选自Li+、Na+、K+的一种。
进一步方案，所述锂盐电解质的加入量为5-20wt％、有机溶剂的加入量为70-90wt％、其它功能添加剂的加入量为0.5-5wt％。
进一步方案，所述锂盐电解质为六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)、双(五氟乙基磺酰亚胺)锂(LiBETI)、双(三氟甲基磺酰亚胺)锂(LiTFSI)和双(氟磺酰亚胺)锂(LiFSI)中的一种或多种。
进一步方案，所述有机溶剂为碳酸酯类或羧酸酯类有机溶剂。
更进一步方案，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸二甲脂(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、1，4-丁内酯(1，4-BC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丁酯(BP)、丁酸乙酯(EB)及其卤代衍生物中的一种或多种。
进一步方案，所述其他添加剂包括碳酸亚乙烯基酯(VC)、乙烯基碳酸亚乙酯(VEC)、乙烯基乙酸乙烯脂(VA)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、硫酸乙烯酯(DTD)、1，3-丙磺酸内酯(1,3-PS)、1,4-丁磺酸内酯(1,4-BS)、甲基二磺酸亚甲酯(MMDS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三氟甲基磺酸亚胺镁(Mg(TFSI)2)、三(五氟化苯基)硼(TPFPB)、腈类、砜类、酸酐中的一种或多种。
本发明的另一个发明目的是提供一种含有上述高浸润性电解液的锂离子电池。
本发明中改善浸润性添加剂为间甲苯磺酸盐类浸润添加剂，是将磺酸基通过化学键连接在甲苯上，形成多磺酸基有机物，构成具有高液体润湿力和渗透力的化合物。
本发明中的高浸润性电解液中加入了间甲苯磺酸盐类浸润添加剂，降低了电解液在正负极片表面的表面张力，减小了电解液在极片上的接触角，能够明显提高电解液中溶剂的液体润湿力和渗透力，提高极片的吸液效率及极片浸润一致性。改善了电芯化成后界面的一致性，提高了电芯的生产效率和品质。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步解释和说明，应当理解，本发明实施例不是对本发明权利要求保护范围的限制。
本发明中改善浸润性添加剂为间甲苯磺酸盐类浸润添加剂，是将磺酸基通过化学键连接在甲苯上，形成多磺酸基有机物，其中具体磺酸基的结构式见下式A-H(即改善浸润性添加剂结构式中的R1或R2的结构式)，应该理解，磺酸基结构包含但不限于下述结构式A-H。
具体的改善浸润性添加剂化合物的结构式如式Ⅰ-Ⅻ应该理解，该化合物包含但不限于结构式Ⅰ-Ⅻ：
本发明中锂盐电解质为六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)、双(五氟乙基磺酰亚胺)锂(LiBETI)、双(三氟甲基磺酰亚胺)锂(LiTFSI)和双(氟磺酰亚胺)锂(LiFSI)中的一种或多种；
有机溶剂为碳酸酯类或羧酸酯类有机溶剂，包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸二甲脂(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、1，4-丁内酯(1，4-BC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丁酯(BP)、丁酸乙酯(EB)及其卤代衍生物中的一种或多种。
其他添加剂包括碳酸亚乙烯基酯(VC)、乙烯基碳酸亚乙酯(VEC)、乙烯基乙酸乙烯脂(VA)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、硫酸乙烯酯(DTD)、1，3-丙磺酸内酯(1,3-PS)、1,4-丁磺酸内酯(1,4-BS)、甲基二磺酸亚甲酯(MMDS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三氟甲基磺酸亚胺镁(Mg(TFSI)2)、三(五氟化苯基)硼(TPFPB)、腈类、砜类、酸酐中的一种或多种。
下面各实施例为了便于比较，锂盐电解质为六氟磷酸锂(LiPF6)；有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)+碳酸丙烯酯(PC)+碳酸二乙酯(DEC)+碳酸甲乙酯(EMC)；其他添加剂选自碳酸亚乙烯基酯(VC)+硫酸乙烯酯(DTD)。受篇副影响，其他组分都是本领域常用的，不一一列举了。
实施例1
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅰ，搅拌均匀后得到电解液Ⅰ。
实施例2
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅱ，搅拌均匀后得到电解液Ⅱ。
实施例3
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅲ，搅拌均匀后得到电解液Ⅲ。
实施例4
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅳ，搅拌均匀后得到电解液Ⅳ。
实施例5
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅴ，搅拌均匀后得到电解液Ⅴ。
实施例6
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅵ，搅拌均匀后得到电解液Ⅵ。
实施例7
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅶ，搅拌均匀后得到电解液Ⅶ。
实施例8
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅷ，搅拌均匀后得到电解液Ⅷ。
实施例9
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅸ，搅拌均匀后得到电解液Ⅸ。
实施例10
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅹ，搅拌均匀后得到电解液Ⅹ。
实施例11
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅺ，搅拌均匀后得到电解液Ⅺ。
实施例12
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，然后向其加入质量分数为0.2％的添加剂Ⅻ，搅拌均匀后得到电解液Ⅻ。
对比例1
在填充氩气且环境指标为H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm的手套箱中，以EC/PC/DEC/EMC/LIPF6/VC/DTD＝20/4/40/19/14/2/1质量比混合均匀，制得本发明对比例电解液。
实施例13：极片浸润性测试方法
在室温及氩气气氛下，将实施例1-12和对比例1分别制备的电解液样品通过移液枪进样，进样体积为20μL，将待测电解液滴在电极极片上，移液枪中液滴下落位置与电极极片的高度差为0.2-0.5cm，记录电解液消失的时间，通过电解液消失的时间对比电解液对极片的浸润性，如下表1所示。
表1实施例1-12和对比例1制备的电解液的浸润性测试结果
正极/s 负极/s
实施例1 40.2 30.4
实施例2 42.5 33.8
实施例3 38.9 30.2
实施例4 45.6 37.1
实施例5 45.0 35.4
实施例6 48.1 38.0
实施例7 38.5 31.5
实施例8 41.2 36.5
实施例9 40.5 37.5
实施例10 39.8 34.8
实施例11 37.8 33.2
实施例12 41.8 36.2
对比例1 70.3 55.8
从上表1可看出，本发明制备的电解液的浸润性显著优于对比例1，说明本发明制备的电解液具有较好液体润湿力和渗透力。
实施例14：锂电池的制备及电性能测试
(1)选取高压实磷酸铁锂材料(LPF)为正极材料，将LPF、CNTs、粘结剂按照96：2：2的比例混合均匀，涂覆在铝箔集流体上，经过烘箱将其烘干，在辊压机上对其辊压，压实密度为2.5g/cm3，制得所需正极片，对其进行电解液浸润性测试。
(2)同样的选取高压实的人造天然复合石墨为负极材料，将石墨、CMC、导电剂、粘结剂按照94：1：3：2的比例混合均匀，制得负极片，极片压实密度为1.7g/cm3，对其进行电解液浸润性测试。
(3)将正负极极片经过卷绕的方式制成2.2Ah-18650圆柱电池，将实施例1-12和对比例1分别制备的电解液注入电池中，经过化成、分容，测试其电池的电性能，如下表2所示：
表2初始电性能及1C循环性能
首效/％ 中值电压/V 内阻/mΩ 1C循环500周容量保持率/％
实施例1 90.8 3.232 32.3 93.8
实施例2 90.8 3.229 33.1 92.5
实施例3 90.2 3.209 32.9 93.2
实施例4 90.3 3.215 33.5 92.6
实施例5 90.5 3.221 32.9 92.1
实施例6 90.1 3.218 34.2 91.8
实施例7 91.3 3.212 33.0 92.0
实施例8 91.6 3.225 32.8 93.4
实施例9 91.1 3.241 33.4 93.4
实施例10 90.5 3.208 33.2 93.9
实施例11 91.9 3.225 31.9 93.8
实施例12 90.2 3.246 32.5 92.8
对比例1 89.2 3.211 39.5 90.3
上表所示为实施例1-12和对比例1制备的电解液所制成的电池的初始电性能及1C循环性能。从上表数据可看出，本发明的电解液中加入改善浸润性添加剂后，电池的内阻明显降低，首效及循环性能也有一定的提高。
以上所述，仅为本发明部分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 (8)

1.一种锂离子电池用高浸润性电解液，该电解液成分包括锂盐电解质、有机溶剂和其它功能添加剂，其特征在于：还包括加入量为0.01-5wt％的改善浸润性添加剂，所述改善浸润性添加剂为如下式所示：
其中R1、R2各自独立的选自C4-16烷基、C4-20环烷基、C4-20烯基、C4-14炔基、C5-26芳基、C5-26杂芳基及其部分氟代或全氟代物的一种；M1、M2各自独立的选自Li+、Na+、K+的一种。
2.根据权利要求1所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述改善浸润性添加剂为如下式所示：
其中R1、R2各自独立的选自R1、R2为C8-14的链状烷基、C8-18的环烷基及其氟代物中的一种；M1、M2各自独立的选自Li+、Na+、K+的一种。
3.根据权利要求1所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述锂盐电解质的加入量为5-20wt％、有机溶剂的加入量为70-90wt％、其它功能添加剂的加入量为0.5-5wt％。
4.根据权利要求1所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述锂盐电解质为六氟磷酸锂(LiPF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)、双(五氟乙基磺酰亚胺)锂(LiBETI)、双(三氟甲基磺酰亚胺)锂(LiTFSI)和双(氟磺酰亚胺)锂(LiFSI)中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸酯类或羧酸酯类有机溶剂。
6.根据权利要求5所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸二甲脂(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、1，4-丁内酯(1，4-BC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丁酯(BP)、丁酸乙酯(EB)及其卤代衍生物中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的高浸润性电解液，其特征在于：所述其他添加剂包括碳酸亚乙烯基酯(VC)、乙烯基碳酸亚乙酯(VEC)、乙烯基乙酸乙烯脂(VA)、亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、硫酸乙烯酯(DTD)、1，3-丙磺酸内酯(1,3-PS)、1,4-丁磺酸内酯(1,4-BS)、甲基二磺酸亚甲酯(MMDS)、六甲基二硅氮烷(HMDS)、三氟甲基磺酸亚胺镁(Mg(TFSI)2)、三(五氟化苯基)硼(TPFPB)、腈类、砜类、酸酐中的一种或多种。
8.一种含有如权利要求1-7任一项所述的高浸润性电解液的锂离子电池。
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