CN111416153A - 高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂、电解液及其电池 - Google Patents

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CN111416153A CN202010438712.7A CN202010438712A CN111416153A CN 111416153 A CN111416153 A CN 111416153A CN 202010438712 A CN202010438712 A CN 202010438712A CN 111416153 A CN111416153 A CN 111416153A
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Abstract

本发明公开了一种高电压锂离子电池及其电解液、电解液添加剂，本发明提供的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂是硅氰基化合物，以硅元素作为稳定的基团，通过锚定作用，在高电压下抑制氰基官能团的彻底氧化以及与负极的交叉还原反应，避免导致电池恶化，此外硅元素还可以增加电解液的浸润性。硅氰基化合物中的氰基官能团可消除电解液中的游离氢，降低电解液中的水分并消除HF，减少LiPF6的水解和HF对正极材料的破坏，抑制在高电压下，正极材料界面与电解液的副反应。此外硅氰基官能团还可以在正负极的界面处形成含N的有机和无机的界面膜，通过硅元素的固定作用，有效稳定界面膜，进一步提升高电压锂离子电池的电化学性能。

Description

高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂、电解液及其电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂、电解液及其电池。
背景技术
锂离子电池具有高比能量、高比功率、高转换率、长寿命、无污染等优点，得到了快速普及，其应用逐步从便携式电子产品和通讯工具转向动力型电源领域，锂电池行业具备良好发展态势，2019年锂离子电池的产能已达到了198GWh，预计到2030年，产能将达到3392GWh，增长近17倍。
随着科学技术和应用领域的拓展，对锂离子电池的能量密度和循环性能提出了更高的要求，提高材料的工作电压或是开发高电压的正极材料可以提高锂离子电池的能量密度，因此发展高电压电池以提高能量密度势在必行。
然而电解液中本质上就含有一定的H2O，电解液中的锂盐会与H2O反应生成HF，而在高电压下，HF对正极的侵蚀较为严重，导致活性物质损失，表现为容量损失，同时会导致过渡金属离子的溶解，过渡金属离子迁移至负极，破坏负极的界面膜，引起阻抗增加，此外HF侵蚀正极后会重新生成H2O，循环往复，引起电池的持续恶化，此外现有技术在高电压下，正极材料界面会和电解液发生副反应，而电解液的分解产物会在正负极表面形成较厚的介质层，导致电池阻抗的增加，引起电池循环性能恶化。
为此，研发一种能在高电压下可消除电解液中的游离氢，同时可形成具有电子电导的稳定界面膜，抑制电解液分解和过渡金属离子溶解，降低阻抗，改善电池循环性能的高电压电解液添加剂为当世之所需。
发明内容
针对上述的不足，本发明目的之一在于，提供一种能在高电压下可消除电解液中的游离氢，降低H2O/HF的含量，减少LiPF6的水解，同时可形成具有电子电导的稳定界面膜，抑制电解液分解和过渡金属离子溶解，降低阻抗，改善电池循环性能的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂。
本发明目的之二在于，提供一种含有上述高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂的高电压锂离子电池电解液。
本发明目的之三在于，提供一种含有上述高电压锂离子电池电解液的高电压锂离子电池。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂，其为硅氰基化合物，该硅氰基化合物包括具有结构式1所示化合物、具有结构式2的所示化合物中的至少一种:
Figure BDA0002503271210000021
其中0≤x≤5，0≤y≤4x，0≤n≤4x，R1、R2、R3分别选自1-5个碳原子的烷基、1-5个碳原子的不饱和烷基、1-5个碳原子的卤代烷基、1-5个碳原子的卤代不饱和烷基、吡咯、胺基、咪唑、甲氧基、乙氧基、腈基、氰酸基、异氰酸基、酰胺和卤原子的一种或多种。本发明中的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂是硅氰基化合物，以硅元素作为稳定的基团，通过锚定作用，在高电压下抑制氰基官能团的彻底氧化以及与负极的交叉还原反应，避免导致电池恶化，改善电池循环性能。
作为本发明的一种优选方案，所述硅氰基化合物选自三甲基氰硅烷、三甲基硅烷氰、四异氰酸基硅烷、异硫氢酸三甲基硅酯、叔丁基氰基二甲基硅烷、叔丁基苯氰基硅烷、(三甲基硅基)甲基化异腈、三甲基甲硅烷基异氰酸甲酯、(3-异氰基丙基)三乙氧基硅烷、三甲硅烷基异氰酸酯、(3-氰丙基)二甲基氯硅烷、2-氰基乙基三乙氧基硅烷、(3－氰丙基)三氯硅烷、3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、异氰脲酸三[3-(三甲氧基硅烷基)丙基]酯、三氯-2-氰乙基硅烷、3-硫氰基丙基三乙氧基硅烷、四异硫氰酸硅、3-氰丙基三乙氧基硅、(3-氰基丙基)甲基氯代硅烷、3-氰基-3-((三甲基甲硅烷)氧基)吡咯烷-1-甲酸叔丁酯、4-氰基-3-(三甲基甲硅烷基)吡啶、10-异氰酰癸基三甲氧基硅烷、丙烷腈3-(三甲基氧硅基)、(2-氰基乙基)三甲氧基硅烷、三异氰酸(甲基)硅中的一种或多种。
一种高电压锂离子电池电解液，其包括锂盐、有机溶剂和上述高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂，其中所述高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂在高电压锂离子电池电解液的添加比例为质量百分比的0.01％～3％。所述高电压锂离子电池电解液在加入上述高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂后，硅氰基化合物中的氰基官能团能消除电解液中的游离氢，降低电解液中的水分并消除HF，减少LiPF6的水解和HF对正极材料的破坏，抑制在高电压下，正极材料界面与电解液的副反应。此外硅氰基官能团还可以在正负极的界面处形成含N的有机和无机的界面膜，通过硅元素的锚定作用下，能稳定界面膜，更能提升高压锂离子电池的电化学性能。
作为本发明的一种优选方案，所述锂盐为四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的一种或多种。
作为本发明的一种优选方案，所述锂盐在高电压锂离子电池电解液中的摩尔浓度范围为0.5～3mol/L。
作为本发明的一种优选方案，所述有机溶剂选自碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、二氧戊烷、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、二甲基亚砜、环丁砜中的一种或几种按任意比例混合的混合溶剂。
一种高电压锂离子电池，其包括正极、负极、隔膜和上述的高电压锂离子电池电解液。
作为本发明的一种优选方案，所述高电压锂离子电池的充电截止电压为4.5～5V。
本发明的有益效果为：本发明提供的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂是硅氰基化合物，以硅元素作为稳定的基团，通过锚定作用，在高电压下抑制氰基官能团的彻底氧化以及与负极的交叉还原反应，避免导致电池恶化，此外硅元素还可以增加电解液的浸润性。硅氰基化合物中的氰基官能团可消除电解液中的游离氢，降低电解液中的水分并消除HF，减少LiPF6的水解和HF对正极材料的破坏，抑制在高电压下，正极材料界面与电解液的副反应。此外硅氰基官能团还可以在正负极的界面处形成含N的有机和无机的界面膜，通过硅元素的固定作用，有效稳定界面膜，进一步提升高压锂离子电池的电化学性能，且具有合成方法简单、添加量小，不增加制备成本等优点。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明。
图1为实施例1和实施例6的首周充放电曲线图。
图2为实施例1、对比例1和对比例4的循环对比图。
具体实施方式
实施例1：
高电压锂离子电池电解液的制备：
在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，在混合溶液中加入质量分数为3％的三甲基氰硅烷，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到高电压锂离子电池电解液A1。
高电压锂离子电池的制备：
将LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯与丁二烯的共聚物(SBR)为粘结剂，按照质量比为92:5:1:2在水中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。将石墨作为负极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯与丁二烯的共聚物(SBR)为粘结剂，按照质量比为93:2:2:3在水中混合均匀后，涂覆铜箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ15mm的圆片，置于手套箱中。以聚乙烯(PE)为基膜(12μm)并在基膜双面上涂覆纳米氧化铝涂层(2μm)作为隔膜。正极极片、隔膜、负极极片按顺序放好，注入制备的电解液，再经封装，装配成型号为CR2032的扣式电池。将制备的扣式电池在室温条件下静置24个小时后，采用蓝电电池充放电测试仪(购自武汉市蓝电电子股份有限公司)对电池进行循环测试，测试电压为3.5-4.85V。
实施例2：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，在混合溶液中加入质量分数为1％的四异氰酸基硅烷，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到高电压锂离子电池电解液A2。
实施例3：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，在混合溶液中加入质量分数为0.01％的异硫氢酸三甲基硅酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到高电压锂离子电池电解液A3。
实施例4：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，在混合溶液中加入质量分数为2％的(三甲基硅基)甲基化异腈，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到高电压锂离子电池电解液A4。
实施例5：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，在混合溶液中加入质量分数为1.5％三甲硅烷基异氰酸酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到高电压锂离子电池电解液A5。
实施例6：
其与实施例1不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
实施例7：
其与实施例2不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
实施例8：
其与实施例3不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
实施例9：
其与实施例4不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
实施例10：
其与实施例5不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
对比例1：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到锂离子电池电解液B1。
对比例2：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，0.5％甲苯二异氰酸酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到锂离子电池电解液B2。
对比例3：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，1％的对甲苯异氰酸酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到锂离子电池电解液B3。
对比例4：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，1.5％的环戊基异氰酸酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到锂离子电池电解液B4。
对比例5：
其与实施例1不同的是高电压锂离子电池电解液的制备：在充满氩气的手套箱(水分＜10ppm，氧分＜1ppm)中，将碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯以1:1质量比混合均匀，3％的乙氧羰基异硫氰酸酯，再缓慢加入锂盐LiPF6，搅拌至其完全溶解，得到锂离子电池电解液B5。
对比例6：
其与对比例1不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
对比例7：
其与对比例2不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
对比例8：
其与对比例3不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
对比例9：
其与对比例4不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
对比例10：
其与对比例5不同的是正极极片的制备：将钴酸锂LiCoO2作为正极活性材料，炭黑作为导电添加剂，以PVDF为粘结剂，按照质量比为94:3:3在NMP中混合均匀后，涂覆铝箔集流体上，烘干、冷压后裁剪成直径为φ14mm的圆片，置于手套箱中。测试电压为3.0-4.5V。
表1为实施例和实施例的电池循环性能测试结果。
表1
电池编号 电解液编号 添加剂含量(％) 100周容量保持率(％) 效率(％)
实施例1 A1 3 99 99.8
实施例2 A2 1 97 99.8
实施例3 A3 0.01 97 99.7
实施例4 A4 2 97 99.7
实施例5 A5 1.5 99 99.8
实施例6 A1 3 98 99.9
实施例7 A2 1 99 99.9
实施例8 A3 0.01 97 99.9
实施例9 A4 2 99 99.9
实施例10 A5 1.5 98 99.9
对比例1 B1 0 88 99.3
对比例2 B2 0.5 79 97.9
对比例3 B3 1 81 98.1
对比例4 B4 1.5 75 97.8
对比例5 B5 3 63 96.7
对比例6 B1 0 91 99.5
对比例7 B2 0.5 87 99.2
对比例8 B3 1 85 98.5
对比例9 B4 1.5 87 98.9
对比例10 B5 3 81 98.3
对比对比例1、对比例6和实施例1-10可知，以本发明的硅氰基化合物为添加剂时，电池的效率和循环性能均有较大的改善，如实施例1，电池的效率可从99.3％增加至99.8％，100周的容量保持率可从88％增加至99％，效果非常显著。而从对比例1-10可知，添加不含硅的氰基化合物作为添加剂时，电池的效率和循环性能有明显的恶化，且随着含量的增加，性能更差，这是由于没有硅元素的锚定作用，氰基化合物在高电压下，存在较为彻底的持续氧化分解，且分解产物存在正负极交叉氧化还原反应，电池的副反应严重，导致电池的效率和循环性能恶化。
上述实施例仅为本发明较好的实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似方法及组分而得到的其它添加剂、电解液及其电池，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂，其特征在于，其为硅氰基化合物，该硅氰基化合物包括具有结构式1所示化合物、具有结构式2的所示化合物中的至少一种:
Figure FDA0002503271200000011
其中0≤x≤5，0≤y≤4x，0≤n≤4x，R1、R2、R3分别选自1-5个碳原子的烷基、1-5个碳原子的不饱和烷基、1-5个碳原子的卤代烷基、1-5个碳原子的卤代不饱和烷基、吡咯、胺基、咪唑、甲氧基、乙氧基、腈基、氰酸基、异氰酸基、酰胺和卤原子的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂，其特征在于，所述硅氰基化合物选自三甲基氰硅烷、三甲基硅烷氰、四异氰酸基硅烷、异硫氢酸三甲基硅酯、叔丁基氰基二甲基硅烷、叔丁基苯氰基硅烷、(三甲基硅基)甲基化异腈、三甲基甲硅烷基异氰酸甲酯、(3-异氰基丙基)三乙氧基硅烷、三甲硅烷基异氰酸酯、(3-氰丙基)二甲基氯硅烷、2-氰基乙基三乙氧基硅烷、(3－氰丙基)三氯硅烷、3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、异氰脲酸三[3-(三甲氧基硅烷基)丙基]酯、三氯-2-氰乙基硅烷、3-硫氰基丙基三乙氧基硅烷、四异硫氰酸硅、3-氰丙基三乙氧基硅、(3-氰基丙基)甲基氯代硅烷、3-氰基-3-((三甲基甲硅烷)氧基)吡咯烷-1-甲酸叔丁酯、4-氰基-3-(三甲基甲硅烷基)吡啶、10-异氰酰癸基三甲氧基硅烷、丙烷腈3-(三甲基氧硅基)、(2-氰基乙基)三甲氧基硅烷、三异氰酸(甲基)硅中的一种或多种。
3.一种高电压锂离子电池电解液，其特征在于，其包括锂盐、有机溶剂和权利要求1或2所述的高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂，其中所述高电压锂离子电池硅氰电解液添加剂在高电压锂离子电池电解液中的添加比例为质量百分比的0.01％～3％。
4.根据权利要求3所述的高电压锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐为四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、三氟甲基磺酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的一种或多种。
5.根据权利要求3或4所述的高电压锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐在高电压锂离子电池电解液中的摩尔浓度范围为0.5～3mol/L。
6.根据权利要求3所述的高电压锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂选自碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、二氧戊烷、1,2-二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、二甲基亚砜、环丁砜中的一种或几种按任意比例混合的混合溶剂。
7.一种高电压锂离子电池，其特征在于，其包括正极、负极、隔膜和权利要求3～6中任意一项所述的高电压锂离子电池电解液。
8.根据权利要求7所述的高电压锂离子电池，其特征在于，其的充电截止电压为4.5～5V。
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