CN109004272A - 一种电解液混合溶剂及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解液混合溶剂及锂离子电池。所述的电解液混合溶剂，其由下列质量比的原料配制而成：电解液﹕表面活性剂=100：0.05~5。本发明通过在电解液中添加表面活性剂，不同于传统使用的添加剂只是生成SEI膜，重要的是本发明可以促进电极表面形成完整和均匀的固体‑电解液界面（SEI）膜。在电极表面形成的完整和均匀的SEI膜，可以减少极片与电解液的副反应，从而提高锂离子电池的高温稳定性；还可降低电解液的表面张力，加强电解液润湿极片的能力，而提高电池的保液量。

Description

一种电解液混合溶剂及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，尤其涉及一种可提高锂离子电池高温稳定性的电解液混合溶剂及使用该溶剂的锂离子电池。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高、电压高、循环寿命长、功率大、可快充、自放电低、无记忆效应、环保、成本适中等优势，在3C领域、电动汽车和储能领域均获得了广泛的应用。在锂离子电池获得不断推广的同时，锂离子电池相关技术研究也获得不断进展。
在高温锂离子电池发展方向上，研究人员从正负极和电解液方面进行了大量的探索。专利CN201710253350.2在电解液中加入硼酸酯类或硼烷类高温添加剂，不仅能够抑制高温下LiPF6的分解，缓解PF5与溶剂反应，减少CO、CO2和烃类气体的生成以及电解液的过度消耗，还能够捕获F−，减少HF的生成，从而优化正极活性材料，提升锂离子电池的循环性能。专利CN201110249692.X在电解液中添加氟化苯腈添加剂，其在正极表面会形成保护膜，起到类似于一般的电解液添加剂功能。该添加剂的另一个作用是，降低电解液的表面张力，提高正、负极片和隔膜对电解液的吸附浸润，使电解液在电池中快速达到稳定均匀的状态，可以提高电池的循环寿命。现有提高锂离子电池的高温稳定性的方法，多是在电解液添加各种添加剂，主要是基于正负极成膜、抑制电解液分解和提高电解液的稳定性等方面来实现的。但是这种采用各种添加剂正负极形成的电解液界面（SEI）膜均匀性和完整性均不可靠，如图1所示，在微观条件下观察，电极01表面形成的SEI膜02厚薄不一，有不少区域SEI膜02都没有覆盖电极01表面，即SEI膜不能全面的保护极片的表面，以致极片与电解液发生副反应，从而大大降低了锂离子电池的高温稳定性，另外，电解液的表面张力较大，以致电解液润湿极片的能力下降，从而降低了电池的保液量。
因此，如何克服现有锂离子电池的高温稳定性差、电解液的表面张力大的缺陷是业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了解决锂离子电池的高温稳定性差、电解液的表面张力大的技术问题，提出一种可提高锂离子电池高温稳定性、降低电解液的表面张力和提升电池保液量的电解液混合溶剂及使用该溶剂的锂离子电池。
本发明提出的一种电解液混合溶剂，其由下列质量比的原料配制而成：
电解液﹕表面活性剂 = 100 ：0.05 ~ 5。
优选的，所述的表面活性剂可以为十六烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、全氟丁烷磺酸锂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、全氟辛烷磺酸二乙醇酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或聚山梨酯（吐温）中的至少一种。
优选的，所述的电解液由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂配制而成。
其中，所述的碳酸酯类溶剂可以为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯中的至少一种。
所述的锂盐可以为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二（三氟甲基磺酸）亚胺锂中的至少一种。
所述的添加剂可以为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙烯酯、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、1,3-丙烷磺酸内酯、亚硫酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氟化锂、双马来酰亚胺或琥珀酸酐中的至少一种。
本发明还提出了一种锂离子电池，其中使用了所述的电解液混合溶剂。
本发明通过在电解液中添加表面活性剂，不同于传统使用的添加剂只是生成SEI膜，重要的是本发明可以促进电极表面形成完整和均匀的固体-电解液界面（SEI）膜。在电极表面形成的完整和均匀的SEI膜，可以减少极片与电解液的副反应，从而提高锂离子电池的高温稳定性；还可降低电解液的表面张力，加强电解液润湿极片的能力，而提高电池的保液量。
附图说明
图1为现有电解液在电极表面形成的SEI膜的剖面示意图；
图2为本发明电解液混合溶液在电极表面形成的SEI膜的剖面示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种电解液混合溶剂，其由下列质量比的原料配制而成：
电解液﹕表面活性剂 = 100 ：0.05 ~ 5。
其中，表面活性剂可以采用为十六烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、全氟丁烷磺酸锂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、全氟辛烷磺酸二乙醇酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或聚山梨酯（吐温）中的至少一种。电解液由碳酸酯类溶剂、锂盐和添加剂配制而成。其中，碳酸酯类溶剂为碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸乙烯酯（EC）或碳酸丙烯酯（PC）中的至少一种。锂盐为六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）或二（三氟甲基磺酸）亚胺锂（LiTFSI）中的至少一种。添加剂为碳酸亚乙烯酯（VC）、碳酸乙烯亚乙烯酯（VEC）、双草酸硼酸锂（LiBOB）、二氟草酸硼酸锂（LiODFB）、1,3-丙烷磺酸内酯（1,3-PS）、亚硫酸丙烯酯（PS）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、氟化锂（LiF）、双马来酰亚胺或琥珀酸酐中的至少一种。
本发明添加表面活性剂的作用，如图2所示，加入表面活性剂，弱化电极表面1的极性差别，使电极表面形成均匀完整的SEI膜2。而没有加入表面活性剂，如图1所示，电极01表面活性差别较大，形成的SEI膜02不完整。本发明添加表面活性剂形成完整的SEI膜会防止电极与电解液发生副反应，提高电池的稳定性。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明：
制作正极为NCM622（高镍三元材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2）的高能量密度聚合物锂离子电池，型号为356591，设计容量为3000mAh。先按下列比列调制正负极浆料：
正极浆料-- NCM622 ：SP（导电炭黑） ：PVDF(聚偏氟乙烯) = 96 : 2 : 2；
负极浆料--人造石墨 ：SP ：CMC（羧甲基纤维素钠） ：SBR（丁苯橡胶）= 94.5 : 2 :1.5 : 2。
通过分别制备正负极浆料、正负极涂布、正负极辊压、正负极分条、制片、卷绕、入壳封装、烘烤除水分、注液、化成、夹具烘烤、二封和分容后，获得成型电池。
根据电解液种类的不同，制备获得不同种类的电池。添加表面活性剂对电池高温性能的影响，主要考察保液量、内阻、高温储存前后电压和容量变化。
本实施例采用的电解液混合溶剂为，EC-EMC-DMC（质量比1:1:1）的溶剂，并且加入相对于所述溶剂总量的电解质：1mol/L的LiFP6，1%的VC，1%的PS和1%的LiDOFB，然后添加的表面活性剂为十二烷基磺酸钠，比例为0.2%，搅拌混合均匀制得电解液混合溶剂。根据需要，还可以采用如下配方配制电解液混合溶剂：
下面试验，测量有、无电解液添加表面活性剂的锂离子电池的保液量；测试有、无电解液添加表面活性剂的锂离子电池分容后的内阻，结果见表1。并测试高温储存前后电压和容量变化，结果见表2。添加表面活性剂后，保液量从9.79g升高到10.96g，增多1.17g。分容后的内阻从22.2mΩ升高到23.4mΩ，增大1.2mΩ。保液量的升高主要是表面活性剂降低的电解液的表面张力，促进电解液润湿极片，这对电池的充放电效率有利。内阻的升高，主要是由于表面活性剂的存在，促进SEI膜的均匀形成。在高温60°C满电储存7天的高温稳定性测试中，电解液有添加表面活性剂的电池电压降平均为59mV，低于没有添加剂的情况（85mV）。在容量保持率方面，添加表面活性剂的高于不添加的情况（容量保持率平均从94.3%提高到96.5%，容量恢复率从96.5%提高到98.3%）。以上两点说明，电解液添加表面活性剂的电池，高温稳定性更高。这种稳定性的提高主要是由于表面活性剂的添加，促进SEI膜的均匀形成，使SEI膜更全面的保护电极的表面状态。
表1. 实施例电解液有无添加表面活性剂对高镍电池保液量和内阻的影响
表2. 实施例电解液有无添加表面活性剂对电池60°C-7天储存高温稳定性的影响
在电解液中添加表面活性剂，可以是两种或以上，即可充分发挥表面活性剂的作用。在实施例组装电池的过程中，采用的电解液混合溶剂为：质量比1:1:1的EC-EMC-DEC的溶剂，并且加入相对于所述溶剂总量的电解质为1mol/L的LiPF6，添加剂为1%VC，1%FEC，0.5%的琥珀酸酐，添加的表面活性剂为0.05%的十六烷基三甲基溴化铵和0.05%的二辛基琥珀酸磺酸钠。与不添加表面活性剂的电池比，进行保液量、分容内阻和高温稳定性测试，结果见表3和表4。添加有表面活性剂的电池保液量比不添加的高1.82g，内阻高1.7 mΩ。在高温60°C下，7天储存测试，添加表面活性剂的电池容量保持率平均高达98.1%，高于不添加的94.9%；添加表面活性剂的电池，容量恢复率也更高（99.2%，对比无添加剂的96.3%）；在电压下降方面，前者电压降更小（46mV对比没有添加剂的90mV）。以上说明添加表面活性剂的电池，保液量更高，SEI膜更稳定，高温稳定性更高。
表3. 替代例电解液有无添加表面活性剂对高镍电池保液量和内阻的影响
表4. 替代例电解液有无添加表面活性剂对电池60°C-7天储存高温稳定性的影响
以上所述实施例主要是为了说明本发明的创作构思，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电解液混合溶剂，其由下列质量比的原料配制而成：
电解液﹕表面活性剂 = 100 ：0.05 ~ 5。
2.如权利要求1所述的电解液混合溶剂，其特征在于，所述的表面活性剂为十六烷基硫
酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、全氟丁烷磺酸锂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、全氟辛烷磺酸二乙醇酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚或聚山梨酯中的至少一种。
3.如权利要求1所述的电解液混合溶剂，其特征在于，所述的电解液由碳酸酯类溶剂、
锂盐和添加剂配制而成。
4.如权利要求3所述的电解液混合溶剂，其特征在于，所述的碳酸酯类溶剂为碳酸二甲
酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯或碳酸丙烯酯中的至少一种。
5.如权利要求3所述的电解液混合溶剂，其特征在于，所述的锂盐为六氟磷酸锂、
四氟硼酸锂、二（三氟甲基磺酸）亚胺锂中的至少一种。
6.如权利要求3所述的电解液混合溶剂，其特征在于，所述的添加剂为碳酸亚乙烯酯、
碳酸乙烯亚乙烯酯、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、1,3-丙烷磺酸内酯、亚硫酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氟化锂、双马来酰亚胺或琥珀酸酐中的至少一种。
7.一种锂离子电池，其特征在于，使用了如权利要求1~6所述的电解液混合溶剂。
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