CN110350246B - 用于高压实负极材料的电解液及具有该电解液的锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于高压实负极材料的电解液及具有该电解液的锂电池。其中，用于高压实负极材料的电解液包括有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括式1所示的对苯硅酸盐化合物，R1和R2分别独立地为链状烷基或所述链状烷基的氟代物，M1和M2分别独立地为选自Li+、Na+和K+中的至少一种。将该电解液用于锂电池中时，可以显著改善对负极，尤其是对高压实负极的浸润效率和浸润效果，从而达到提高浸润一致性、缩短生产周期、降低成本以及提高电池循环性能等的效果。

Description

用于高压实负极材料的电解液及具有该电解液的锂电池
技术领域
本发明属于锂电池领域，具体而言，涉及用于高压实负极材料的电解液及具有该电解液的锂电池。
背景技术
锂离子电池技术是目前产业化、制造智能化以及具有很好发展前景的新能源技术，具有绿色无污染、产业化程度较高和适用领域广等优点，在移动电源、电动汽车、电动工具、航天航空以及储能等领域均有广泛的运用。目前我国在大力推广电动汽车，希望能在此领域的发展下完成对美、日、欧等发达国家的弯道超车，由此带来了电动汽车续航里程短等的问题，因此，如何增加电动汽车的续航里程是该行业内共同面临且需要解决的问题，也是共同的发展方向。
从国家宏观政策上来看，提高电池的能量密度是最直接的解决方案，目前行业能提高能量密度的方案有以下几个：1、电池轻量化，在容量不变的情况，从其他零部件上轻量化设计以及改变；2、电池自身容量提高，选用高能量发挥的正极、负极材料，从配方体系上增大电池容量；3、电池高能量发挥电压平台，通过提高电池使用电压平台，提高电池材料的电化学窗口来提高电池的能量发挥。业界普遍采用第二种方法来更直接地解决上述系列问题，在负极材料的不断升级中，负极不断向高容量以及高压实方向发展，但负极的压实越来越高引发出一些问题：一方面，由于负极片空间空隙减少，一般电解液不能完全浸润，使得电解液与负极接触面变小，电化学离子转移变少，界面阻抗增大，导致电池出现低容、循环周数降低等问题；另一方面，注射电解液工序工艺用时增加，搁置时间必须延长以及电解液浸润一致性变低，导致电池生产周期变长，成本增大。
基于上述问题，目前急需开发一种匹配高压实负极材料的新型电解液，以期解决负极电解液浸润性困难、一致差、电池循环周期性差以及生产周期长等的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出用于高压实负极材料的电解液及具有该电解液的锂电池。将该电解液用于锂电池中时，可以显著改善对负极，尤其是对高压实负极的浸润效率和浸润效果，从而达到提高浸润一致性、缩短生产周期、降低成本以及提高电池循环性能等的效果。
根据本发明的第一个方面，本发明提出一种用于高压实负极材料的电解液。根据本发明的实施例，该电解液包括有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括式1所示化合物，
Figure BDA0002114300500000021
其中，R1和R2分别独立地为链状烷基或所述链状烷基的氟代物，M1和M2分别独立地为选自Li+、Na+和K+中的至少一种。
根据本发明上述实施例的用于高压实负极材料的电解液，通过链状烷基和/或链状烷基的氟代物将硅酸链接到苯环上形成式1所示的对苯硅酸盐，并将该对苯硅酸盐作为电解液的添加剂使用，至少具有以下优点：1、含有式1所示有机物的电解液与负极接触时可以在负极表面产生硅酸盐，硅酸盐的比表面积大且表面粗糙，具有较强的保液性和吸液性，能够在负极表面迅速扩散，使电解液与负极的接触面积更大，并提供更多的离子通道，从而能够显著提高离子的迁移量，降低界面阻抗和内阻，并容易在负极表面反应形成SEI膜；2、采用苯环作为中心结构可以使式1所示的化合物具有一定的刚性，使该添加剂不易被氧化；3、对苯环结构相对稳定，在电解液中不易分解，不会产生气体；4、链状有机物及其氟代物具有更高的离子迁移率，且链状有机物的氟代物还具有较好的热稳定性，式1所示的结构不仅可以使链状结构更长，还有利于提高链状结构的稳定性，由此能够进一步提高电解液的浸润性。综上，将该含有式1所示化合物的电解液用于锂电池中时，可以显著改善对负极，尤其是对高压实负极的浸润效率和浸润效果，从而达到提高浸润一致性、缩短生产周期、降低成本以及提高电池循环性能等的效果。
另外，根据本发明上述实施例的用于高压实负极材料的电解液还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述R1和R2分别独立地为链状烷基C10～16或所述链状烷基C10～16的氟代物。
在本发明的一些实施例中，所述添加剂包括第一添加剂和第二添加剂，所述第一添加剂包括所述式1所示化合物。
在本发明的一些实施例中，所述用于高压实负极材料的电解液包括80～90重量份的所述有机溶剂、5～10重量份的所述第一添加剂和2重量份的所述第二添加剂。
在本发明的一些实施例中，所述用于高压实负极材料的电解液进一步包括7～16重量份的锂盐。
在本发明的一些实施例中，所述用于高压实负极材料的电解液中，锂盐的浓度为0.95～1.05mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述第一添加剂为式1所示化合物。
在本发明的一些实施例中，所述有机溶剂为选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯酯和碳酸二丙酯中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述第二添加剂为选自硼类、砜类和腈类中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述第二添加剂为选自碳酸亚乙烯基酯、二氟草酸硼酸锂、硫酸亚乙酯和亚硫酸丙烯酯中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述高压实负极材料的密度为1.65-1.7g/m3。
根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种锂电池。根据本发明的实施例，该锂电池具有上述用于高压实负极材料的电解液。该锂电池中，电解液对负极的浸润效率和浸润效果较好，可以显著提高负极的浸润一致性、缩短生产周期、降低成本，并提高锂电的循环周期等电化学性能，从而有利于使该锂电池兼具较高的能量密度、优越的循环性、更长的使用寿命和更高的性价比。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的第一个方面，本发明提出一种用于高压实负极材料的电解液。根据本发明的实施例，该电解液包括有机溶剂和添加剂，添加剂包括式1所示化合物，
Figure BDA0002114300500000041
其中，R1和R2分别独立地为链状烷基或链状烷基的氟代物，M1和M2分别独立地为选自Li+、Na+和K+中的至少一种。该用于高压实负极材料的电解液中，通过链状烷基和/或链状烷基的氟代物将硅酸链接到苯环上形成式1所示的对苯硅酸盐，并将该对苯硅酸盐作为电解液的添加剂使用，至少具有以下优点：1、含有式1所示有机物的电解液与负极接触时可以在负极表面产生硅酸盐，硅酸盐的比表面积大且表面粗糙，具有较强的保液性和吸液性，能够在负极表面迅速扩散，使电解液与负极的接触面积更大，并提供更多的离子通道，从而能够显著提高离子的迁移量，降低界面阻抗和内阻，并容易在负极表面反应形成SEI膜；2、采用苯环作为中心结构可以使式1所示的化合物具有一定的刚性，使该添加剂不易被氧化；3、对苯环结构相对稳定，在电解液中不易分解，不会产生气体；4、链状有机物及其氟代物具有更高的离子迁移率，且链状有机物的氟代物还具有较好的热稳定性，式1所示的结构不仅可以使链状结构更长，还有利于提高链状结构的稳定性，由此能够进一步提高电解液的浸润性。综上，将该含有式1所示化合物的电解液用于锂电池中时，可以显著改善对负极，尤其是对高压实负极的浸润效率和浸润效果，从而达到提高浸润一致性、缩短生产周期、降低成本以及提高电池循环性能等的效果。
下面对本发明上述实施例的用于高压实负极材料的电解液进行详细描述。
根据本发明的一个具体实施例，本发明中链状烷基或链状烷基氟代物的碳链长度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。例如，R1和R2可以分别独立地为链状烷基C10～16或链状烷基C10～16的氟代物，由此，不仅可以使式1所示化合物的链状结构更长，提高锂离子的流动性，从而能够进一步改善电解液对负极的浸润性。
根据本发明的再一个具体实施例，本发明中链状烷基的氟代物可以为链状烷基中的氢原子部分被氟取代。发明人发现，链状烷基氟代物具有较好的热稳定性和较高的离子迁移率，并且氟代物更易在负极界面上形成较好的SEI膜，但若氟取代程度过高，当具有式1结构的添加剂的加入量过多时，容易导致电解液的粘度增加，从而对电解液的浸润性造成不利影响，本发明中通过采用氢原子部分被氟取代的链状烷基的氟代物作为R1和/或R2，可以进一步提高电解液的综合性能。
根据本发明的又一个具体实施例，用于高压实负极材料的电解液中，添加剂可以包括第一添加剂和第二添加剂，第一添加剂包括式1所示化合物，例如第一添加剂可以仅包括式1所示化合物，第二添加剂的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，第二添加剂可以为选自硼类、砜类和腈类中的至少一种，再例如，第二添加剂可以为选自碳酸亚乙烯基酯(VC)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、硫酸亚乙酯(DTD)和亚硫酸丙烯酯(PS)中的至少一种，其中，硼类添加剂可以在充放电循环过程中对正极表面进行保护，通过提高电极/电解液间的界面稳定性来提高电池性能；砜类添加剂的氧化稳定性比一般添加剂较高，能增加电池的电化学窗口，提高电池工作电压；腈类添加剂在微量酸的条件下能与电解液中的微量水反应，具备在一定程度上稳定电解液中的微量酸以及水的作用，由此可以在确保电解液具有较好的浸润效果的基础上进一步提高电解液的综合性能。
根据本发明的又一个具体实施例，用于高压实负极材料的电解液可以包括80～85重量份的有机溶剂、5～10重量份的第一添加剂和2～5重量份的第二添加剂。当电解液中添加剂的总含量确定时，若电解液中式1所示的化合物的含量过少，对改善电解液的浸润性的效果不明显，而若电解液中式1所示的化合物的含量过多，又会导致其它功能性添加剂的含量过低，不利于提高电解液的综合性能。本发明中通过控制电解液中有机溶剂、第一添加剂和第二添加剂分别为上述含量，不仅可以确保电解液具有较好的浸润性，还可以进一步提高电池的电化学稳定性、电化学窗口以及循环性能。优选地，用于高压实负极材料的电解液可以包括80-85重量份的有机溶剂、5-10重量份的式1所示化合物和2～5重量份的第二添加剂，由此可以进一步提高电解液的浸润性、电化学窗口、耐酸性、循环性。
根据本发明的又一个具体实施例，用于高压实负极材料的电解液可以进一步包括7～16重量份的锂盐，电解液中锂盐的浓度可以为0.95～1.05mol/L，例如1mol/L；其中，锂盐的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如锂盐可以为LiPF6。本发明中通过进一步控制电解液为上述组成，不仅可以补充循环过程中被消耗掉的锂离子，还可以提高离子迁移量并有利于形成SEI膜，从而能够进一步提高电池的电化学稳定性、电化学窗口以及循环性能等。
根据本发明的又一个具体实施例，本发明中有机溶剂的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，有机溶剂可以为选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丁烯酯(BC)和碳酸二丙酯(DPC)中的至少一种。由此可以进一步有利于提高电解液与电极材料的相容性。
根据本发明的又一个具体实施例，高压实负极材料的密度可以为1.65～1.7g/m2。由此可以在确保电解液对负极材料具有较好的浸润效率和效果的基础上进一步提高锂电池的容量和循环性能。
根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种锂电池。根据本发明的实施例，该锂电池具有上述用于高压实负极材料的电解液。该锂电池中，电解液对负极的浸润效率和浸润效果较好，可以显著提高负极的浸润一致性、缩短生产周期、降低成本，并提高锂电的循环周期等电化学性能，从而有利于使该锂电池兼具较高的能量密度、优越的循环性能、更长的使用寿命和更高的性价比。需要说明的是，上述针对用于高压实负极材料的电解液所描述的特征和效果同样适用于该锂电池，此处不再赘述。
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1-7以及对比例1的电解液组成及配比如表1所示，实施例1-7中，第一添加剂结构式中的A、B、C、D分别如表2所示。
表1电解液组成及配比
Figure BDA0002114300500000061
Figure BDA0002114300500000071
备注：EC、PC与DMC的质量比为25:5:55
表2实施例1-7中A、B、C、D的结构式
Figure BDA0002114300500000072
Figure BDA0002114300500000081
对实施例1-7和对比例1的电解液进行评价：
1、在相同条件下测定实施例1-7和对比例1的电解液对高压实负极片的浸润性。
提供多个相同规格的高压实负极极片(其中，负极极片为石墨，尺寸为25cm2，压实密度为1.65g/m2)，分别将实施例1-7和对比例1的电解液以及高压实负极极片转移到由氮气保护的手套箱中进行电解液滴定实验，其中，实施例1～7中，电解液中锂盐的含量为13wt％，锂盐浓度为1mol/L。每种电解液分别用移液枪定量取20μL和30μL，以相同的高度滴定在不同的负极片上(滴定高度为5cm)。测定电解液充分浸润高压实负极极片的时间，测定结果如表3所示。
2、在相同条件下利用实施例1-7和对比例1的电解液制备锂电池并测试锂电池的性能
选取磷酸铁锂为正极极片、压实密度为1.65g/m2的石墨为负极极片，分别与实施例1-7和对比例1的电解液配合制备锂电池，测试锂电池的首效、内阻和容量保持率，测试结果如表4所示。
表3电解液对高压实负极极片的浸润时间
Figure BDA0002114300500000082
Figure BDA0002114300500000091
表4实施例1-4和对比例1的电解液对应的锂电池的性能
首效(％) 内阻(Ω) 1C循环500周容量保持率(％)
实施例1 91.2 3.87 92.9
实施例2 90.8 3.76 93.2
实施例3 90.8 3.78 92.8
实施例4 90.1 3.86 92.9
实施例5 90.4 3.65 92.5
实施例6 89.7 3.88 91.8
实施例7 90.1 3.69 92.6
对比例1 88.6 3.98 91.6
结果与结论：
结合表1-3可看出，含有具有式1所示化合物的电解液对高压实负极极片的浸润性有明显的增加，且结合表4可知，将实施例1-7中配制的电解液用于具有高压实负极的锂电池中，还可以提高锂电池的首效，降低内阻，并显著改善锂电池的循环性能。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种用于锂电池的电解液，其特征在于，包括有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括式1所示化合物，
Figure FDA0002731512490000011
其中，R1和R2分别独立地为链状烷基或所述链状烷基的氟代物，M1和M2分别独立地为选自Li+、Na+和K+中的至少一种，所述电解液适于改善负极材料的浸润性。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述R1和R2分别独立地为C10～16的链状烷基或所述C10～16的链状烷基的氟代物。
3.根据权利要求1或2所述的电解液，其特征在于，所述添加剂包括第一添加剂和第二添加剂，所述第一添加剂包括所述式1所示化合物。
4.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，包括75～85重量份的所述有机溶剂、5～10重量份的所述第一添加剂和2-5重量份的所述第二添加剂。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，进一步包括7～16重量份的锂盐。
6.根据权利要求5所述的电解液，其特征在于，所述电解液中锂盐的浓度为0.95～1.05mol/L。
7.根据权利要求5所述的电解液，其特征在于，所述第一添加剂为式1所示化合物。
8.根据权利要求4或7所述的电解液，其特征在于，所述有机溶剂为选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丁烯酯和碳酸二丙酯中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的电解液，其特征在于，所述第二添加剂为选自硼类、砜类和腈类中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的电解液，其特征在于，所述第二添加剂为选自碳酸亚乙烯基酯、二氟草酸硼酸锂、硫酸亚乙酯和亚硫酸丙烯酯中的至少一种。
11.根据权利要求1或9所述的电解液，其特征在于，所述负极材料的压实密度为1.65-1.7g/cm3。
12.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池具有权利要求1-11任一项所述的电解液。
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