CN109148957B - 一种电池电解液及含该电解液的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池电解液，还公开了一种含该电解液的锂离子电池，通过在电池电解液中加入酸酐类衍生物添加剂，改善电池的胀气问题，同时由于该酸酐类衍生物添加剂含有O、N、Si、F等多种元素其作为电解液添加剂时，与正负极材料具有较好的兼容性，可以有效的抑制电池胀气及改善电池高温循环性能。

Description

一种电池电解液及含该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种电池电解液，还涉及一种含该电解液的锂离子电池。
背景技术
自1991年索尼公司将锂离子电池商业化以来，其以高能量密度、长循环寿命和环境污染小等优势广泛应用于移动电话、照相机和笔记本电脑等电子产品中。随着新能源汽车领域的快速发展，人们对锂离子电池的安全性能和能量密度提出了更高的要求，然而在高温高压下电池的胀气及循环性能的快速衰减严重限制了其更广泛的使用。
为解决电池的胀气问题，酸酐类添加剂较为广泛地被使用。这是由于酸酐类添加剂可以中和正极材料表面的碱性，减缓高温下金属氧化物碱性对碳酸酯溶剂的分解作用；除此之外，酸酐还可以与极片或电解液中的水分反应，生成有机酸类物质，降低强酸的形成进而降低酸对材料的溶解；另外，在高电位下，酸酐类添加剂可以在正极材料表面形成稳定的保护膜。但是酸酐类添加剂的加入，也较为明显的增加了电池的内阻，降低了电池的恒流充入比及容量，不利于电池能量密度的提高。而硅烷类添加剂可以与氢氟酸可以发生配合，消耗氢氟酸，阻断后续副反应的持续发生，因而具有较好的除水、除酸功能，从而改善电池的循环性能，但是硅烷类添加剂对电池在高温下的胀气问题并没有明显的改善作用。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种电池电解液，该电池电解液中添加有酸酐类衍生物添加剂，该酸酐类衍生物添加剂能够在正负极材料表面形成致密且稳定的界面膜，有效地抑制电解液的氧化分解，从而使得该电池电解液可以有效的解决锂离子电池的胀气问题并改善其高温循环性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电池电解液，包括锂盐、有机溶剂、成膜添加剂和添加剂，其中，所述添加剂为酸酐类衍生物添加剂。
进一步的，以所述电解液的总质量为基准，所述锂盐质量分数为9～15％，所述成膜添加剂的质量分数为0.5～12％，所述添加剂的质量分数为0.5～6％，余量为所述有机溶剂。通过大量实验，得出各组分的最佳质量浓度，从而获得电池电解液的最优性能。
优选的，以所述电解液的总质量为基准，所述锂盐质量分数为9～12％，所述成膜添加剂的质量分数为0.5～5％，所述酸酐类衍生物添加剂的质量分数为0.5～3％，余量为所述有机溶剂。
进一步的，所述酸酐类衍生物添加剂具有如下的结构通式I：
Figure BDA0001827400940000021
其中R1、R2、R3、R4、R5分别独立的选自H、-CN、卤素、C1-10烷基、C3-20环烷基、C2-20烯基、C2-12炔基、C3-16环烯基、C5-26芳基或C5-26杂芳基。所述酸酐类衍生物添加剂是将硅基基团通过化学键接枝在酸酐环上，构成具有高电压成膜能力的酸酐硅类化合物；具体化合物见结构式(A～D)，应该理解，该化合物包含但不限于结构式(A～D)。
Figure BDA0001827400940000022
该酸酐类衍生物添加剂能够在正负极材料表面形成致密且稳定的界面膜(由于酸酐、硅基基团作用)，有效地抑制电解液的氧化分解，从而使得该电池电解液可以有效的解决锂离子电池的胀气问题并改善其高温循环性能。
进一步的，所述成膜添加剂为酸酐或其衍生物、碳酸乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸甲基亚乙酯、吡啶、呋喃、噻吩、磺酸内酯、磺酰亚胺、磷酸酯、亚磷酸酯、腈类、砜类、酰胺中的一种或多种，这里酸酐或其衍生物可以改善电池的胀气问题，含双键的酯类所成膜柔韧性较好，膜较稳定；砜类、腈类可以提高电解液的电化学窗口，螯合过渡金属离子，抑制金属离子溶出，因此，可根据最终所需的电解液的性质进行不同的组合，且其配比不作具体限定，可根据需要进行调整。
进一步的，所述有机溶剂为有机酯类、C1-10烷基醚类、亚烷基醚类、环醚类、羧酸酯类、砜类、腈类、二腈类、离子液体类中的一种或多种。
所述有机酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、1,4-丁内酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯及丁酸乙酯中的至少一种；所述C1-10烷基醚类为二甲醚、二乙醚、甲乙醚中的至少一种；所述二腈类为己二腈、丁二腈、戊二腈中的至少一种；所述砜类为二甲基亚砜、环丁砜中的至少一种；所述离子液体类为咪唑类、吡咯类离子液体中的至少一种。可以理解的是以上有机溶剂的并列方案仅仅是列举，与上述有机溶剂类似且效果相近的溶剂均可以作为本发明的有机溶剂使用。
进一步的，所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiBOB、LiDFOB、LiCF3SO3、LiBETI、LiTFSI、LiFSI中的一种或多种。
优选的，所述锂盐为LiPF6。
本发明的另一个目的是提供一种包含有电池电解液的锂离子电池。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中使用酸酐类衍生物作为新型的电解液添加剂，相比常规添加剂，其使用添加量更少，且可以明显抑制电池的胀气问题。由于酸酐可以中和正极材料的残碱，酸酐还可以与极片或电解液中的水分反应，生成有机酸类物质，降低强酸的形成进而降低酸对材料的溶解；另外，在高电位下，酸酐类添加剂可以在正极材料表面形成稳定的保护膜。而硅烷类可以与氢氟酸发生配合，消耗氢氟酸，阻断后续副反应的持续发生，因而具有较好的除水、除酸功能。此添加剂中含有这两种物质结构，可以达到协同作用，优化电池性能。
2、该电解液添加剂能够与正负极材料较好的兼容，可以参与形成稳定的正负极界面膜，显著地改善电池的高温循环性能。
3、采用本发明中的电池电解液制备得到的锂离子电池其胀气问题明显得到改善，电池高温循环性能得到提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步清楚完整的说明，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。
其中本发明实施例中使用的添加剂A、B、C、D的结构式分别为
Figure BDA0001827400940000041
实施例1
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为87％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:5(w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为0.5％的添加剂A，搅拌均匀后得到电解液1。
实施例2
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为87％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:5(w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为0.5％的添加剂B，搅拌均匀后得到电解液2。
实施例3
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为87％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:5(w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数0.5％的的添加剂C，搅拌均匀后得到电解液3。
实施例4
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为87％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:5(w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为0.5％的的添加剂D，搅拌混合均匀，制得本发明实施例4的电解液。
实施例5
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为82.5％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:己二腈:碳酸甲乙酯＝3:2:1:4(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为0.5％的的添加剂A，搅拌均匀后得到电解液5。
实施例6
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为15.0％LiPF6溶解于质量分数为80％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:己二腈:碳酸甲乙酯＝3:2:1:4(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为2％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为3％的的添加剂B，搅拌均匀后得到电解液6。
实施例7
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiFSI溶解于质量分数为87％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:环丁砜:碳酸甲乙酯＝3:2:0.5:4.5(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂碳酸乙烯酯，质量分数为0.5％的的添加剂C，搅拌均匀后得到电解液7。
实施例8
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为9.0％LiBOB溶解于质量分数为78％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:环丁砜:碳酸甲乙酯＝3:2:0.5:4.5(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为12％的成膜添加剂氟代碳酸乙烯酯，质量分数为1％的添加剂D，搅拌混合均匀，制得本发明实施例8的电解液。
实施例9
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6解于质量分数为82％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:丙酸乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:1:4(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为3％的成膜添加剂氟代碳酸乙烯酯，质量分数3％的添加剂A，搅拌混合均匀，制得本发明实施例9的电解液。
实施例10
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为11.5％LiBF4溶解于质量分数为82％的有机溶剂中，其中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:丙酸乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:0.5:4.5(w/w/w/w)的混合溶剂，然后向其加入质量分数为0.5％的成膜添加剂氟代碳酸乙烯酯，质量分数为6％的添加剂B，搅拌混合均匀，制得本发明实施例10的电解液。
对比例
在填充氩气的手套箱中，以电池电解液的总质量为基准，称取质量分数为12.0％LiPF6溶解于质量分数为88％，组成为碳酸乙烯酯:碳酸二乙酯:碳酸甲乙酯＝3:2:5(w/w/w)的有机溶剂中，搅拌混合均匀，制得本发明对比例的电解液。
将实施例1～10和对比例制得的电池电解液分别制备成锂离子电池，其中锂离子电池所用正极材料均为LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2，负极材料均为石墨，隔膜均为PP，并将实施例1～10和对比例中的电池电解液注入电池中，经过化成、分容等步骤制得7Ah的软包电池，分别测试电池分容前后的电芯厚度，相关的对比数据参见表1。
将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4.4V，设置截止电流为0.01C；搁置30min后再以1C电流恒流放电至3.0V，如此进行循环充放电测试，记录下每次电池的放电容量，计算1300周电芯的容量保持率，相关的对比数据参见表1，其中锂离子第N周的容量保持率(％)＝第N周放电容量/首周放电容量×100％。
表1实施例1～10和对比例的电池测试结果
Figure BDA0001827400940000061
Figure BDA0001827400940000071
从上表的实验结果可以看出，相比于未加入酸酐类衍生物的电解液电池，加入酸酐类衍生物的电解液电池可以较好地改善电池的胀气性能，胀气率基本均在5％以下；与此同时此添加剂的加入也提高了电池在高温下的循环性能，使其容量保持率得到了较大的改善。
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)

1.一种电池电解液，所述电池电解液为锂离子电池电解液，其包括锂盐、有机溶剂、成膜添加剂和酸酐类衍生物添加剂，其特征在于：所述酸酐类衍生物添加剂具有如下的结构通式I：
Figure FDA0002601526910000011
其中R1、R2、R3、R4、R5分别独立的选自H、-CN、卤素、C1-10烷基、C3-20环烷基、C2-20烯基、C2-12炔基或C3-16环烯基。
2.如权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：以所述电池电解液的总质量为基准，所述锂盐质量分数为9～15％，所述成膜添加剂的质量分数为0.5～12％，所述酸酐类衍生物添加剂的质量分数为0.5～6％，余量为所述有机溶剂。
3.如权利要求2所述的电池电解液，其特征在于：以所述电池电解液的总质量为基准，所述锂盐质量分数为9～12％，所述成膜添加剂的质量分数为0.5～5％，所述酸酐类衍生物添加剂的质量分数为0.5～3％，余量为所述有机溶剂。
4.如权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述成膜添加剂为酸酐或其衍生物、碳酸乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯、碳酸甲基亚乙酯、吡啶、呋喃、噻吩、磺酸内酯、磺酰亚胺、磷酸酯、亚磷酸酯、腈类、砜类、酰胺中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述有机溶剂为有机酯类、C1-10烷基醚类、环醚类、砜类、二腈类、离子液体类中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的电池电解液，其特征在于：所述有机酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、1,4-丁内酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯及丁酸乙酯中的至少一种；所述C1-10烷基醚类为二甲醚、二乙醚、甲乙醚中的至少一种；所述二腈类为己二腈、丁二腈、戊二腈中的至少一种；所述砜类为二甲基亚砜、环丁砜中的至少一种；所述离子液体类为咪唑类、吡咯类离子液体中的至少一种。
7.如权利要求1所述的电池电解液，其特征在于：所述锂盐为LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiBOB、LiDFOB、LiCF3SO3、LiBETI、LiTFSI、LiFSI中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的电池电解液，其特征在于：所述锂盐为LiPF6。
9.一种包含有权利要求1～8任一项所述的电池电解液的锂离子电池。
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