CN110148775B - 一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液及锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。所述的高能量密度高安全锂离子电池电解液包括添加剂Y和含S＝O的化合物，所述的添加剂Y如结构式I所示，其中，R1、R2各自独立地分别为取代或未取代的C1～6烷基和烷氧基中的任一种，还公开了一种锂离子电池，本发明属于锂离子电池技术领域，其优势是可以解决高能量密度锂离子电池的循环和安全性能的问题。

Description

一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液及锂离子电池。
背景技术
当前锂离子电池已经在生活中广泛应用，例如：手机、笔记本电脑、电动汽车、人工智能等领域。这是由于锂离子具有循环性能好、工作电压高和对环境友好等优点。但是对锂离子电池能量密度提高的需求是一个亘古不变的话题。因此，具有更高容量的高镍正极材料和硅碳负极材料是当前提高能量密度的主要方向，但是，高镍正极材料和硅碳负极材料循环稳定性和安全性能差。
电解液中添加剂的使用是解决材料循环稳定性问题的有力手段。但是，目前使用的电解液无法满足高能量密度锂离子电池循环性能的要求，并且安全性差。因此，提高高能量密度锂离子电池的电性能和安全性能是当前面临最大的挑战之一。因此，为了解决此难题，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有高能量密度锂离子电池电性能和安全性能的问题，提供一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液及锂离子电池，该电解液能够显著提高锂离子电池的循环性能，且具有较高的安全性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，包括有机溶剂、添加剂和锂盐，所述添加剂包括添加剂Y和含S＝O的化合物；所述添加剂Y的结构式如(I)所示：
Figure BDA0002077603580000011
其中，R1、R2各自独立地分别为C1～6烷基、烷氧基、取代C1～6烷基或取代烷氧基中的任一种。
一种含有上述的电解液的锂离子电池，所述锂离子电池包括含有正极活性材料的正极片、含有负极活性材料的负极片、隔膜和电解液。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明的电解液中：添加剂Y能够在低电位下优先于溶剂被氧化，从而改善锂离子电池正极和电解液的界面性质；含S＝O的化合物能够在高电位优先溶剂被还原，从而改善锂离子电池负极和电解液的界面性质；可以明显提高电池的循环稳定性。添加剂Y在超过4.6V时通过双电子氧化在正极形成稳定且高阻抗的界面膜，提高电池防过充性能，确保电池的安全性。
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的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，包括有机溶剂、添加剂和锂盐，所述添加剂包括添加剂Y和含S＝O的化合物；所述添加剂Y的结构式如(I)所示：
Figure BDA0002077603580000021
其中，R1、R2各自独立地分别为C1～6烷基、烷氧基、取代C1～6烷基或取代烷氧基中的任一种，具体地，取代C1～6烷基或取代烷氧基指的是C1～6烷基或烷氧基上的氢被其他元素取代后的基团。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述添加剂Y优选为以下物质中的一种：
Figure BDA0002077603580000022
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述添加剂Y的用量占电解液总重量的0.01％～8％。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述添加剂还包括3，3，3-三氟丙基碳酸酯，其用量占电解液总重量的0.1％～5％。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述有机溶剂为碳酸酯、羧酸酯和氟代醚中的一种或多种。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述含S＝O的化合物为甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、1，3-丙磺酸内酯、1，4-丁磺酸内酯、乙烯磺酸内酯、1，3-丙烯磺酸内酯、1，4-丁烯磺酸内酯、1-甲基-1，3-丙烯磺酸内酯、二乙烯基砜、二甲基砜、二乙基砜、甲基乙基砜或甲基乙烯基砜中的一种或几种的混合物，其用量占电解液总质量的0.1％～10％。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，所述锂盐为六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟双草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂和双草酸硼酸锂中的一种或多种，其用量占电解液总重量的8％～20％。
具体实施方式八：一种含有具体实施方式一至七任一具体实施方式所述的电解液的锂离子电池，所述锂离子电池包括含有正极活性材料的正极片、含有负极活性材料的负极片、隔膜和电解液。
本发明中对比例和实施例的电解液和锂离子电池的实验信息如表1和表2，实验对应的测试结果见表3和表4。在没有特殊说明的情况下，有机溶剂的用量为除去下表1和2中所对应第3和4列所记载的含量之外的余量。具体地，对比例和实施例中的电解液及锂离子电池的制备过程均采用现有的制备工艺来制备。
表1对比例实验信息
Figure BDA0002077603580000031
Figure BDA0002077603580000041
表2实施例实验信息
Figure BDA0002077603580000042
Figure BDA0002077603580000051
对实施例和对比例中的锂离子电池进行高温循环测试，具体的测试条件如下：
高温循环测试：把电池搁置在45℃条件下，在2.8～4.2V的充放电压区间下使用1C电流进行充放电循环，记录初始容量为Q，选循环至500周的容量为Q2，由如下公式计算电池高温循环500周的容量保持率：容量保持率(％)＝Q2/Q×100％。
安全性测试：将电池恒流恒压充电至4.2V，随后以1C的电池持续充电至5.46V，电池不起火为通过。
表3对比例实验测试结果
对比例 高温循环容量保持率 安全性测试
1 47.87％ 不通过
2 59.06％ 不通过
3 49.58％ 不通过
4 65.74％ 不通过
5 58.37％ 不通过
6 59.38％ 不通过
7 61.30％ 不通过
8 42.67％ 不通过
9 51.36％ 不通过
10 50.36％ 不通过
11 46.58％ 不通过
12 54.44％ 不通过
表4实施例实验测试结果
Figure BDA0002077603580000052
Figure BDA0002077603580000061
通过以上数据可以明显看出，添加剂Y和含S＝O的化合物联用对锂离子电池高温循环和安全性能都有明显的有利效果，本发明使用添加剂Y和含S＝O的化合物联用加入到电解液中具有突出的优势，主要表现在改善电池的高温循环性能和过充性能。实施例1～6明显优于对比例，因此本发明的电解液制备的电池具有极高的耐用性能，具有极高的市场价值和社会效益。

Claims (8)

1.一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，包括有机溶剂、添加剂和锂盐，其特征在于：所述添加剂包括添加剂Y和含S＝O的化合物；所述添加剂Y的结构式如(I)所示：
Figure FDA0002077603570000011
其中，R1、R2各自独立地分别为C1～6烷基、烷氧基、取代C1～6烷基或取代烷氧基中的任一种。
2.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述添加剂Y为以下物质中的一种：
Figure FDA0002077603570000012
。
3.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述添加剂Y的用量占电解液总重量的0.01％～8％。
4.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述添加剂还包括3，3，3-三氟丙基碳酸酯，其用量占电解液总重量的0.1％～5％。
5.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸酯、羧酸酯和氟代醚中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述含S＝O的化合物为甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、1，3-丙磺酸内酯、1，4-丁磺酸内酯、乙烯磺酸内酯、1，3-丙烯磺酸内酯、1，4-丁烯磺酸内酯、1-甲基-1，3-丙烯磺酸内酯、二乙烯基砜、二甲基砜、二乙基砜、甲基乙基砜或甲基乙烯基砜中的一种或几种的混合物，其用量占电解液总质量的0.1％～10％。
7.根据权利要求1所述的一种高能量密度高安全性锂离子电池电解液，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟双草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂和双草酸硼酸锂中的一种或多种，其用量占电解液总重量的8％～20％。
8.一种含有权利要求1～7任一权利要求所述的电解液的锂离子电池，其特征在于：所述锂离子电池包括含有正极活性材料的正极片、含有负极活性材料的负极片、隔膜和电解液。
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