CN110224175A - 一种锂离子电池非水电解液及包含该电解液的锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池非水电解液及包含该电解液的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池非水电解液及包含该电解液的锂离子电池，所述电解液包含非水有机溶剂、电解质锂盐、常规添加剂和功能性添加剂，所述功能性添加剂为可溶性含硅有机锂盐。电解液中加入该添加剂后，电池在化成阶段可以在硅负极材料界面形成具有优异力学性能的SEI膜，可以缓解硅负极颗粒在充电过程中由于体积膨胀而导致的破裂，从而提高电池的循环性能及存储性能。

Description

一种锂离子电池非水电解液及包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，具体涉及一种锂离子电池非水电解液及锂离子电池。
[背景技术]
随着新能源技术在全世界的快速发展，越来越多的电化学储能器件逐渐出现在人们的日常生活中，产品涉及到移动电话、照相机、手提电脑、以及动力汽车等。在这些电化学器件中，可充电的锂离子电池由于其较高的能量密度，得到了人们的一致好评。近年来，高能量密度的锂离子电池需求量逐渐提升，非碳类负极活性材料如硅基负极活性材料已经被广泛地用于提高电池容量，其中SiO活性材料的应用研究较多。虽然锂离子电池的单体能量密度上升，但是锂离子电池在充放电过程中，由于锂盐(如六氟磷酸锂)分解产生氟化锂和五氟化磷气体，而五氟化磷气体会与水反应并产生氢氟酸，从而破坏Si-O键，使得SiO负极活性材料失效，极大地影响了电池的循环寿命。为了能提高硅基负极的锂离子电池的循环性能，在电解液中加入含氟的有机溶剂(如氟代碳酸乙烯酯，FEC)来提升电池的循环性能是一种比较有效的途径。这可能是因为FEC在硅基负极表面形成一层坚固的LiF基固态电解质界面(SEI)，抑制了电解液溶剂与负极之间的反应，同时在此过程中增加了可逆锂离子的数量。
然而，由于FEC在高温下会产生大量的氟化氢，导致含有硅基负极的锂离子电池厚度膨胀较大，电池高温循环性能较差。为解决上述技术问题，本发明通过在电解液中加入含硅有机锂盐来改善硅基负极电池的锂离子电池循环性能和存储性能。
[发明内容]
针对现有硅基负极的锂离子电池存在高温环境下循环性能以及存储性能较差的问题，本发明提供了一种锂离子电池非水电解液，有效地解决了硅基负极的锂离子电池在高温条件下易膨胀导致电池循环性能、存储性能以及安全性能下降的问题，另一方面，提供一种使用该非水电解液的锂离子电池。
本发明为解决上述技术问题采用如下的技术方案：
一种锂离子电池非水电解液，其特征在于，包括有机溶剂、锂盐、常规添加剂以及结构式1所示的含硅有机锂盐化合物：
其中，R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9分别独立选自氢原子、氟原子或含有1～6个碳原子的基团，R5可选自含有1～6个碳原子的基团。
进一步方案，所述含有1～6个碳原子的基团选自烷基、卤代烷基、含氧烷基、含硅烷基、氰基或芳香基团。
优选的，所述结构式1所示的化合物包含但不限于如下化合物的一种或多种：
进一步方案，所述结构式1所示化合物占非水电解液总质量的0.1％～10％，优选为0.5％-2％。
进一步方案，所述有机溶剂包括但限于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、1,3-二氧戊环(DOL)，r-丁内酯(GBL)、乙酸丙酯(PA)、丙酸丙酯(PP)等中的一种或多种。
优选的，所述的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)的混合溶液，且它们的质量比为1：1：1。
进一步方案，所述锂盐包括但不限于六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)中的一种或多种。
优选的，所述的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)，锂盐浓度为0.5～2mol/L。
可选的，所述的常规添加剂用于形成固体电解质界面(SEI)膜，其包含但不限于碳酸亚乙烯酯(VC)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、1,4-丁烷磺酸内酯(BS)、丙烯酸内酯(RPS)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、硫酸乙烯酯(DTD)中的一种或多种。
优选的，所述的常规添加剂为碳酸亚乙烯酯(VC)与氟代碳酸乙烯酯(FEC)；VC与FEC占非水电解液的质量百分比分别为0.3％～3％、5％～20％。
另一方面，本发明的实施例提供了一种锂离子电池，包括含有正极活性材料的正极、含有硅基活性材料的负极、隔膜以及如前述的非水电解液。
与现有技术相比，本发明所述的锂离子电池非水电解液用的结构式1所示的化合物在化成过程中在硅基负极上发生还原反应，反应产物参与形成致密而稳定的钝化膜，即固体电解质界面(SEI)膜，该层膜具有优异的力学性能，可以缓解硅负极颗粒在充电过程中由于体积膨胀而导致的破裂，起到保护硅基活性材料的作用；同时，所述的结构式1所示的化合物在正极表面上也可以通过与金属离子络合、配位，在正极活性材料表面形成一层稳定的正极电解质界面膜，起到抑制正极过渡金属对电解液的催化氧化分解作用。基于上述作用，使用含有结构式1所示的化合物的非水电解液可以有效地改善硅基负极的电池在高温环境下循环性能、存储性能。
[具体实施方式]
下面将根据实施例对本发明的技术方案进行详细说明。然而，本发明可以多种不同的形式实施，且不应被解释为受限于下文阐述的实施方式。此外，提供这些示例性实施方式是使描述全面和完整，并将本发明的范围完全传递给本领域技术人员。
实施例1：
1)非水电解液的制备：
在99.999％的氮气手套箱中，将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)按质量比为1：1：1进行混合，然后加入六氟磷酸锂至浓度为1.0mol/L；在以上含有锂盐的混合溶液中，加入表1中实施例1所示质量百分含量的组分，混合均匀。
2)锂离子电池的制作：
将该电解液注入到三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2为正极，SiOX(0＜X＜1)和石墨复合材料为负极的软包锂离子电池中，以0.05C恒电流充电1h，然后以0.2C的电流恒流充电至4.0V，以0.05C充电至4.2V，最后将电池放入55后的烘箱中老化24h，以0.2C电流恒流放电至3V。
3)锂离子电池性能测试：
(1)循环性能测试：将化成后的锂离子电池在1C恒流恒压下充电至4.2V，截至电流为0.01C，然后在1C恒定电流下放电至3.0V，重复1C充电/1C放电循环200次来评价循环性能。循环性能通过下式的容量保持率计算：
容量保持率(％)＝(第200次循环的放电容量/初次放电容量)×次放电容。
锂离子电池分别在常温和高温45电下进行循环测试。
(2)高温存储性能测试：
测量锂离子电池的初始厚度，然后将电池放置在60电存储14天后，测量电池的厚度膨胀率；电池经过60，的高温存储14天后，再以1C恒流放电至3.0V，测量电池的容量保持率，然后1C恒流恒压充电至4.2V，截至电流为0.01C，再用1C恒流放电至3.0V，测量电池的容量恢复率。其中，厚度膨胀率、容量保持率和容量恢复率的计算公式如下：
厚度膨胀率(％)＝(14天后的厚度-初始厚度)/初始厚度×始厚度×；
容量保持率(％)＝保持容量/初始容量×始容量×；
容量恢复率(％)＝恢复容量/初始容量×始容量×。
锂离子电池的循环性能、高温存储性能测试结果见表2。
实施例2～14：
本实施例用于说明本发明公开的锂离子电池非水电解液及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：
所述非水电解液的制备步骤中，所述的非水电解液加入表1实施例2～实施例14所示质量百分含量的组分。
具体的测试方法与实施例1一致，测试结果见表2。
对比例1～4：
对比例用于说明本发明公开的锂离子电池非水电解液及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：
所述非水电解液的制备步骤中，所述的非水电解液加入表1对比例1～对比例4所示质量百分含量的组分。
具体的测试方法与实施例1一致，测试结果见表2。
表1实施例与对比例添加剂汇总表
表2电池测试数据汇总表
对比实施例1～14与对比例1～4的测试结果可知，在非水电解液中添加结构式1所示的含硅有机锂盐化合物与氟代碳酸乙烯酯(FEC)，硅基负极材料锂离子电池的常温循环性能、高温循环性能以及高温存储性能都得到了显著的提升。
另一方面，在非水电解液中同时添加结构式1所示的含硅有机锂盐化合物、氟代碳酸乙烯酯(FEC)与1，3-丙烷磺内酯(PS)，可进一步提升电池的常温循环性能、高温循环性能以及高温存储性能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池非水电解液，其特征在于，包括有机溶剂、锂盐、常规添加剂以及结构式1所示的含硅有机锂盐：
在结构式1中，R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9分别独立选自氢原子、氟原子或含有1～6个碳原子的基团，R5可选自含有1～6个碳原子的基团。
2.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述含有1～6个碳原子的基团选自烷基、卤代烷基、含氧烷基、含硅烷基、氰基或芳香基团中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述结构式1所示的化合物包含但不限于如下化合物的一种或多种：
。
4.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述结构式1所示化合物占非水电解液总质量的0.1％～10％。
5.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述的有机溶剂包括但限于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、1,3-二氧戊环(DOL)，r-丁内酯(GBL)、乙酸丙酯(PA)、丙酸丙酯(PP)等中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述的锂盐包括但不限于六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、双氟代磺酰亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述的常规添加剂用于形成固体电解质界面(SEI)膜，其包含但不限于碳酸亚乙烯酯(VC)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)、1,4-丁烷磺酸内酯(BS)、丙烯酸内酯(RPS)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、硫酸乙烯酯(DTD)中的一种或多种。
8.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括含有硅基活性材料的负极、含有三元活性材料的正极、隔膜以及如权利要求1～7中任意一项所述的非水电解液。
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