CN110931873A - 一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液 - Google Patents

一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，属于锂离子电池技术领域，解决三元/硅碳体系电池的电解液在循环过程中被高镍三元正极氧化分解、硅负极体积膨胀、SEI膜破裂导致电池容量衰减过快、循环寿命较差的技术问题。解决方案为：所述的电解液包括：有机溶剂、电解质锂盐和功能添加剂。有机溶剂包括碳酸酯类溶剂、和氟代溶剂；所述电解质锂盐包括六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、四氟硼酸锂；所述功能添加剂包括SEI成膜添加剂和正极保护添加剂。本发明的电解液通过溶剂、锂盐和添加剂的优化组合，满足高镍三元/硅碳电池长循环性能和高低温性能。

Description

一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及的是一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液。
背景技术
目前，锂离子电池以其循环寿命长，能量密度高等优点广泛应用于电动汽车领域。随着电动汽车的发展，目前对动力离子电池的需求是：高比能、长循环、优异的高低温性能。为了提高电池比能量，高镍三元/硅碳体系锂离子电池成为发展趋势。
对于高镍三元材料，其氧化性较强，电解液在其表面易被氧化分解，恶化电池性能，因此需要相匹配的电解液，通过添加剂的使用抑制电解液的氧化分解。
对于硅碳材料，现有技术中与之匹配的锂离子电池电解液，通过添加剂的使用改善硅碳负极的性能，使短期电池循环效果明显，但是在经过长期高温循环后，由于硅基负极材料体积的反复膨胀，锂离子电池中的SEI(solidelectrolyteinterface，SEI)膜（在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上反应形成的一层覆盖于电极材料表面的钝化层，能有效阻止溶剂分子的通过，但是锂离子可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出），可能会发生龟裂，而暴露硅基负极材料活性位点，重复形成SEI膜，导致电池容量降低、阻抗增加，循环性能进一步恶化，同时电池的高温工作环境也会加剧此恶化。
发明内容
本发明的发明的：为了克服现有技术的不足，解决三元/硅碳体系电池的电解液在循环过程中被高镍三元正极氧化分解、硅负极体积膨胀、SEI膜破裂导致电池容量衰减过快、循环寿命较差的技术问题，提供一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，满足高镍三元/硅碳电池长循环性能，同时兼顾电池高低温性能。
本发明的设计构思为：在本技术方案中，抑制高镍三元对电解液氧化分解关键在于在正极表面形成稳定的保护膜，将正极与电解液分隔开；解决硅负极体积膨胀、SEI膜破裂问题关键在于在负极表面形成稳定、柔韧性好的SEI膜，从而保证SEI具有足够的韧性适应硅负极的体积膨胀而不发生破裂。多种锂盐的混合使用，弥补了单一锂盐的功能缺陷，改善电池综合性能。电池高低温性能主要从溶剂的多元化和不同配比来优化。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，所述电解液由有机溶剂、电解质锂盐和功能添加剂组成；所述有机溶剂的重量占电解液总重量的60%~90%，所述电解质锂盐的摩尔浓度为0.5mol/L~1.5mol/L，所述功能添加剂包括SEI成膜添加剂和正极保护添加剂，SEI成膜添加剂的重量占电解液总重量的3%~10%，正极保护添加剂的重量占电解液总重量的0.5%~5%，有机溶剂、SEI成膜添加剂和正极保护添加剂的重量百分比之和为100%。
进一步地，所述有机溶剂为碳酸酯类溶剂或者氟代溶剂。
进一步地，所述有机溶剂为氟代碳酸乙烯酯（FEC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）中的一种或几种。
进一步地，所述电解质锂盐为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、二氟磷酸锂中的一种或几种。
进一步地，所述SEI成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯（VC）、硫酸乙烯酯(DTD)、乙烯基碳酸乙烯酯（VEC）、1,3-丙烷磺酸内酯（PS）、甲烷二磺酸亚甲酯（MMDS）中的一种或几种。
进一步地，所述正极保护添加剂为丁二腈（SN）、己二腈（ADN）、己烷三腈（HTCN）、三（三甲基硅基）硼酸酯（TMSB）、三（三甲基硅基）磷酸酯(TMSP)中的一种或几种。丁二腈、己二腈、己烷三腈可与高镍三元正极发生络合反应，抑制过度金属离子的析出，从而抑制对电解液的氧化分解；三（三甲基硅基）硼酸酯、三（三甲基硅基）磷酸酯可在高镍三元正极表面形成稳定的保护膜，将电解液与正极材料隔离开，抑制了正极对电解液的氧化分解。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明通过溶剂、锂盐、添加剂的优化组合，采用多种锂盐的混合使用，弥补了单种锂盐的功能缺陷，改善电池综合性能；采用SEI成膜添加剂，增强了硅负极表面SEI膜的韧性，可承受循环过程中硅负极体积的膨胀；采用正极保护添加剂，在高镍三元正极表面形成了保护膜，将电解液与正极隔离开，抑制了电解液的氧化分解，采用多元溶剂体系和溶剂不同配比优化，改善电池的高低温性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
将有机溶剂：碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯，锂盐：六氟磷酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、二氟草酸硼酸锂，SEI成膜添加剂：碳酸亚乙烯酯，1,3-丙烷磺酸内酯（PS），正极保护添加剂：三（三甲基硅基）硼酸酯按照配比混合均匀即得到本发明的适用于高镍三元/硅碳体系电池电解液。其中碳酸乙烯酯：碳酸二乙酯：碳酸甲乙酯：氟代碳酸乙烯酯的质量比为3:2:4:1；六氟磷酸锂摩尔浓度为0.8mol/L，双(氟磺酰)亚胺锂摩尔浓度为0.1 mol/L，二氟草酸硼酸锂摩尔浓度为0.1 mol/L；SEI成膜添加剂碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的2%，1,3-丙烷磺酸内酯占电解液总质量的3%；正极保护添加剂：三（三甲基硅基）硼酸酯占电解液总质量的1%。
实施例2
将有机溶剂：碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯，锂盐：六氟磷酸锂、四氟硼酸锂，SEI成膜添加剂：乙烯基碳酸乙烯酯，1,3-丙烷磺酸内酯（PS），正极保护添加剂：丁二腈按照配比混合均匀即得到本发明的适用于高镍三元/硅碳体系电池电解液。其中碳酸丙烯酯：碳酸乙烯酯：碳酸甲乙酯：氟代碳酸乙烯酯的质量比为1:2:6:1；六氟磷酸锂摩尔浓度为1.0mol/L，四氟硼酸锂摩尔浓度为0.2 mol/L；SEI成膜添加剂乙烯基碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的3%，1,3-丙烷磺酸内酯占电解液总质量的2%；正极保护添加剂：丁二腈占电解液总质量的2%。
实施例3
将有机溶剂：碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯，锂盐：六氟磷酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂，SEI成膜添加剂：碳酸乙烯酯，甲烷二磺酸亚甲酯，正极保护添加剂：己烷三腈、三（三甲基硅基）硼酸酯按照配比混合均匀即得到本发明的适用于高镍三元/硅碳体系电池电解液。其中碳酸丙烯酯：碳酸二甲酯：碳酸甲乙酯：氟代碳酸乙烯酯的质量比为3:2:3:2；六氟磷酸锂摩尔浓度为1.1mol/L，双(氟磺酰)亚胺锂摩尔浓度为0.4 mol/L；SEI成膜添加剂碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的2%，甲烷二磺酸亚甲酯占电解液总质量的3%；正极保护添加剂：己烷三腈占电解液总质量的1%，三（三甲基硅基）硼酸酯占电解液总质量的1.5%。
将按照上述实施例制作出的电解液用于高镍/硅碳体系电池中，500圈循环性能、60℃高温储存7天后电池容量保持率和-20℃放电保持率测试结果在表1中，如下：
表1 实施例1~3性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从表1中可以知道，本发明的电解液在高镍/硅碳体系电池中能够有效的保持电池容量，同时可以兼顾电池的高低温性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述电解液由有机溶剂、电解质锂盐和功能添加剂组成；所述有机溶剂的重量占电解液总重量的60%~90%，所述电解质锂盐的摩尔浓度为0.5mol/L~1.5mol/L，所述功能添加剂包括SEI成膜添加剂和正极保护添加剂，SEI成膜添加剂的重量占电解液总重量的3%~10%，正极保护添加剂的重量占电解液总重量的0.5%~5%，有机溶剂、SEI成膜添加剂和正极保护添加剂的重量百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸酯类溶剂或者氟代溶剂。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述电解质锂盐为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂、二氟磷酸锂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述SEI成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲酯中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高镍三元/硅碳体系的锂离子电池电解液，其特征在于：所述正极保护添加剂为丁二腈、己二腈、己烷三腈、三（三甲基硅基）硼酸酯、三（三甲基硅基）磷酸酯中的一种或几种。
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