CN111146499A - 一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池电解液，包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，按在锂离子电池电解液中的质量百分含量，所述添加剂组成为：芳基含硫酯类化合物0.1‑5％，硼锂盐0.2‑5％。本发明还公开了包括正极、负极、隔膜和该锂离子电池电解液的锂离子电池。本发明有效解决了锂离子二次电池的循环寿命和安全性较差，以及高电压下的容量衰减问题。

Description

一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池。
背景技术
面对日益突出的能源危机和环境污染,锂离子电池作为一种新型高能绿色储能装置广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和规模化储能等重要产业领域,其当前发展的主要目标是提高能量密度及降低成本。正极材料是锂离子电池重要的组成部分,其成本约占电池成本的30％～40％,且目前整个电池的比能量主要受限于正极材料的比容量,因此急需开发高比能量、低成本、长寿命且安全的新型正极材料。高镍三元材料是一种极具发展前景的材料,与传统的LiCO2相比具有成本低、高容量、低毒性等优点。NCA正极材料(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2)是研究颇为广泛的一种高镍三元材料，由于其高容量(～200mAh·g-1)和相对较好的热稳定性而备受关注,然而这类高镍材料的首次库仑效率较低,材料的循环性能有待改进以及材料的热稳定性有待进一步提高。再者，高镍材料制备过程中对环境和工艺要求很高，电池体系中的微量水分难以去除，降低了电池的循环寿命，尤其是搭配容易发生体积膨胀的硅碳负极后，高低温性能和循环寿命很难兼顾。随着纯电动汽车(EVs)及混合电动汽车(HEVs)的快速发展,人们对LIBs的能量密度、循环寿命以及安全性要求不断提高.然而,在传统电解液体系中,三元正极材料在高电压、高温下会发生剧烈的结构变化和界面副反应，给实际应用带来巨大挑战,尤其是高镍三元材料的循环寿命和安全性。其中，开发适配的电解液添加剂是提高锂离子电池电化学性能最经济有效的方法之一。
如中国专利公开号CN109888386A公开了一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池。该发明所述锂离子电池电解液包含锂盐、有机溶剂和添加剂，其中，添加剂中包含含硫化合物M和N作为添加剂。所述化合物M为链状含硫酯类结构。所述添加剂M在正负极界面均能参与钝化膜的形成，提升高温性能并抑制电池产气，添加剂N对提升电池循环性能和调节阻抗有较好的效果，通过化合物M和N的联合使用可以优化电池体系的循环性能和储存性能，并且使电池体系具有较低的阻抗，达到电池高低温性能兼顾的综合效果。不足之处是含硫化物N化学性质不稳定，对存储和使用环境要求很高，且酸度和色度表现差。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种锂离子电池电解液及含有该电解液的锂离子电池。本发明有效解决了锂离子二次电池的循环寿命和安全性较差，以及高电压下的容量衰减问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池电解液，包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，按在锂离子电池电解液中的质量百分含量，所述添加剂组成为：
芳基含硫酯类化合物 0.1-5％
含硼锂盐 0.5-5％
作为本发明的优选实施方式，所述芳基含硫酯类化合物结构式如下所示：
Figure BDA0002328313460000021
其中R1，R2分别独立地选自氢原子、氧原子、氟原子、1-4个碳的烷基、烯基、炔基、腈基、氟代烷基、氧烷基，且R1，R2中至少有一个芳基。所述芳基含硫酯类化合物更优选以下结构式所示化合物中的至少一种：
Figure BDA0002328313460000022
Figure BDA0002328313460000031
作为本发明的优选实施方式，所述含硼锂盐添加剂选自LiBOB(双草酸硼酸锂)、LiDFOB(二氟草酸硼酸锂)、LiBF4(四氟硼酸锂)、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2中的一种或多种。
作为本发明的优选实施方式，所述电解质锂盐为六氟磷酸锂、三草酸磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂、四氟磷酸锂和二氟双草酸磷酸锂中的一种或多种。
作为本发明的优选实施方式，所述电解质锂盐在锂离子电池电解液中的质量百分含量为8-20％。
作为本发明的优选实施方式，所述有机溶剂溶剂选自环状碳酸脂、链状碳酸酯、羧酸酯、氟代溶剂中的一种或多种的混合物。所述环状碳酸脂优选为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC)中的一种或几种；所述链状碳酸脂优选为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)中的一种或几种；所述羧酸酯优选为甲酸乙酯(MA)、甲酸丙酯(MP)、乙酸甲酯(MP)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、丙酸乙酯(PE)、丙酸丙酯(PP)、正丁酸乙酯(EB)中的一种或几种；所述氟代溶剂优选为氟代碳酸乙烯酯(FEC)、二氟代碳酸乙烯酯(DFEC)、氟代碳酸二甲酯(FDMC)、氟代碳酸甲乙酯(FEMC)氟代碳酸丙烯酯(FPC)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(D2)、氟代甲酸乙酯(FMA)、氟代乙酸乙酯(FEA)氟代甲酸丙酯(FMP)中的一种或几种。所述有机溶剂更优选为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)的混合物。
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极、负极、隔膜和所述的锂离子电池电解液。
本发明的锂离子电池的正极极片包括正极集流体和正极集流体表面的正极膜片，所述正极膜片包括正极活性物质、导电剂和粘结剂；优选地，所述正极活性物质为LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2、镍锰酸锂、钴酸锂、富锂锰基固溶体或锰酸锂，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且0≤x+y+z≤1；更优选地，所述正极材料为高镍材料。
本发明的锂离子电池的负极活性物质可选自人造石墨、包覆型天然石墨、硅碳负极、硅负极；优选地，所述电池的形态为圆柱、铝壳、塑壳或软包壳体。
优选地，本发明的锂离子电池的上限截止电压为4.2-5V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的电解液中，芳基含硫酯类添加剂在较低电位下已氧化分解，在正极表面形成钝化膜，此钝化膜均一致密，可抑制正极高镍材料金属离子的溶出，进而减弱金属离子对溶剂的催化氧化，同时抑制析氧反应，抑制产气，提高电池的安全性能；
2、本发明的电解液中，含硼锂盐添加剂的LUMO能量低，在首次充放电过程中可优先于有机溶剂组分在负极表面发生还原反应参与有保护作用的SEI膜形成，抑制有机溶剂的继续分解，稳定石墨负极/电解液表面，提高循环可逆容量；
3、本发明的电解液中，通过第一类芳基含硫酯类添加剂和第二类含硼锂盐联合作用，综合调节正负极表面SEI膜的成分，形成的CEI膜导锂性能良好，膜阻抗随循环的影响变化不大，保证循环稳定性和电池体系长循环的使用需求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例和对比例中的芳基含硫类化合物结构式表征如下：
化合物1结构式如下：
Figure BDA0002328313460000041
化合物2结构式如下：
Figure BDA0002328313460000051
化合物3结构式如下：
Figure BDA0002328313460000052
化合物4结构式如下：
Figure BDA0002328313460000053
化合物5结构式如下：
Figure BDA0002328313460000054
化合物6结构式如下：
Figure BDA0002328313460000055
化合物7结构式如下：
Figure BDA0002328313460000056
化合物8结构式如下：
Figure BDA0002328313460000057
化合物9结构式如下：
Figure BDA0002328313460000061
化合物10结构式如下：
Figure BDA0002328313460000062
实施例1
电解液的制备：
在充满氩气的手套箱中(氧含量≤1ppm，水含量≤1ppm)，将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)以1:1:1的体积比混合均匀并不断搅拌，得到混合溶液，在混合溶液中加入锂盐LiPF6进行溶解，制备得到含LiPF6的溶液，随后向含LiPF6的溶液中加入LiBOB、化合物1，搅拌使其完全溶解，得到实施例1的电解液。其中，锂盐LiPF6在电解液中的质量百分比为12.5％，化合物1在电解液中的质量百分比为1％，LiBOB在电解液中的质量百分比为1％。电解液配方见表1。
实施例2～16
实施例2～16也是电解液制备的具体实施例，除表1参数外，其它参数及制备方法同实施例1。电解液配方见表1。
对比例1～5
对比例1～5中，除表1参数外，其它参数及制备方法同实施例1。电解液配方见表1。
表1实施例1～16和对比例1～5的电解液组成
Figure BDA0002328313460000063
Figure BDA0002328313460000071
Figure BDA0002328313460000081
注：锂盐浓度为在电解液中的质量百分含量；
添加剂中各组分的含量为在电解液中的质量百分含量；
有机溶剂中各组分的比例为体积比。
锂离子电池性能测试
锂离子电池的制备：
将正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯按照质量比95:3:2在N-甲基吡络烷酮体系中充分搅拌混合均匀后，涂覆于铝箔上烘干冷压，得到正极片。
将负极活性物质AG、导电剂超级炭黑、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘结剂丁苯橡胶按照质量比95:1:2:2在去离子水溶剂体系中充分搅拌混合均匀后涂覆于铜箔上烘干、冷压，得到负极片。
以聚乙烯为基膜，并在基膜上涂覆纳米氧化铝涂层作为隔膜。
将正极片、粉末、负极片按顺序叠好，使隔膜处于正、负极片中间起到隔离作用，并卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于外包装中，注入各实施例和对比例制备的电解液，进行封装搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到NCM811/AG锂离子电池，进行性能测试，结果见表2，其中：
(1)常温循环性能测试：在25℃下，将化成后的锂离子电池按1C恒流恒压充电至4.2V，截止电流0.02C，然后按1C恒流放电至3.0V。充/放电300次循环后计算第400周次循环容量保持率。计算公式为：
第400周容量保持率＝第400周循环放电容量/首周循环放电容量×100％。
(2)60℃高温储存性能：室温下将电池按0.5C充放电一次，截止电流0.02C，记录初始容量。再按0.5C恒流恒压充满，测试电池初始厚度和初始内阻；将满电电池置于60℃的恒温环境中存储21天，测试电池热厚度，并计算热态膨胀率；待电池冷却至常温6h后测试冷厚度、电压、内阻，按0.5C放电至3.0V，记录电池剩余容量，计算电池容量剩余率。计算公式为：
电池热态膨胀率(％)＝(热厚度-初始厚度)/初始厚度×100％；
表2为实施例1～16与对比例1～5的电池性能测试结果：
表2实施例1～16与对比例1～5的电池性能测试结果
Figure BDA0002328313460000091
Figure BDA0002328313460000101
从实施例1～16和对比例1可看出，对于LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/AG电池，400周的常温循环后的容量保持率比无添加剂的对比例1提高19.9～33.9％，热态膨胀度小；与只添加单一添加剂的对比例2～3相比，实施例1～16也体现出明显的性能优势，这说明通过芳基含硫酯类添加剂和含硼锂盐联合作用，综合调节正负极表面SEI膜的成分，保证LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/AG电池体系长循环的使用需求。
对比例4-5同时添加了这2种添加剂，但与实施例1～16相比，对比例4中的常温循环容量保持率仍然较小，推测芳基含硫酯类添加过多会导致阻抗过大，造成循环性能变差；对比例5中的高温存储产气严重，说明芳基含硫酯类添加剂添加过少，对正极保护作用不明显，即为了得到较优的电池性能，这都需将芳基含硫酯类添加剂控制在合适的用量范围。
综上所述，本发明中，通过适量的芳基含硫酯类添加剂和含硼锂盐类添加剂共同作用，改善电极/电解液界面，确保高镍锂离子电池获得优良的循环性能和低温循环性能。
以上是针对本发明的部分实施例的具体说明，并非用于限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明内容的变化或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电解液，包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，其特征在于，按在锂离子电池电解液中的质量百分含量，所述添加剂组成为：
芳基含硫酯类化合物 0.1-5％
含硼锂盐 0.2-5％
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述芳基含硫酯类化合物结构式如下所示：
Figure FDA0002328313450000011
其中R1，R2分别独立地选自氢原子、氧原子、氟原子、1-4个碳的烷基、烯基、炔基、腈基、氟代烷基、氧烷基，且R1，R2中至少有一个芳基。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述芳基含硫酯类化合物选自以下结构式所示化合物中的至少一种：
Figure FDA0002328313450000012
4.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述含硼锂盐添加剂选自LiBOB、LiDFOB、LiBF4、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述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、三草酸磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、二氟磷酸锂、四氟磷酸锂和二氟双草酸磷酸锂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述电解质锂盐在锂离子电池电解液中的质量百分含量为8-20％。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂溶剂选自环状碳酸脂、链状碳酸酯、羧酸酯、氟代溶剂中的一种或多种的混合物。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述环状碳酸脂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯中的一种或几种；所述链状碳酸脂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯中的一种或几种；所述羧酸酯为甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、正丁酸乙酯中的一种或几种；所述氟代溶剂为氟代碳酸乙烯酯、二氟代碳酸乙烯酯、氟代碳酸二甲酯、氟代碳酸甲乙酯、氟代碳酸丙烯酯、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、氟代甲酸乙酯、氟代乙酸乙酯、氟代甲酸丙酯中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述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、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯的混合物。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括正极、负极、隔膜和权利要求1-9中任一项所述的锂离子电池电解液。
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