CN111710906A - 一种高稳定性锂离子电池电解液及含有该电解液的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高稳定性锂离子电池电解液及含有该电解液的电池,锂离子电池电解液包括电解质锂盐、脂类溶剂和高电压稳定剂,并按一定比例混合配制成电解液;所述电解液稳定剂为六甲基二硅胺烷;所述电解质锂盐为六氟磷酸锂;其中,电解质锂盐占电解液的质量比为12.5wt%,六甲基二硅胺烷占电解液的质量比为0.3‑0.8wt%;含该锂离子电池电解液的电池,可以抑制电解液在储存过程中LiPF6的水解及热解,能有效减少电解液中H2O和HF的含量,抑制电解液在高温条件下的酸度、色度的快速上升,从而提高锂离子电解液的储存稳定性及热稳定性,同时改善锂离子电池的电化学性能和循环性能。
Description
技术领域
本发明属于锂二次电池领域,具体地涉及一种高稳定性锂离子电池电解液及含有该电解液的电池。
背景技术
锂离子电池作为新能源具有比能量高、工作电压高、应用范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染、安全性能好等独特的优势,现己在多个领域中逐步取代传统的电池,应用广泛。因此,锂离子电池在现代电化学中备受关注。
非水电解液是锂离子二次电池的重要组成部分,在电池中承担着正负极之间传输电荷的作用,对电池的比容量、工作温度范围、循环效率及安全性能等至关重要。在锂离子电池电解液的生产、储存过程中,由于以下许多原因,会导致电解液中水分、游离酸偏高,影响电池的性能:(1)干燥环境劣化;(2)储存设备密封性能差;(3)使用溶剂水分偏高;(4)锂盐水分和游离酸偏高;(5)其它原因。非水电解液对游离酸、水分含量的要求较高,由于锂离子电池的电压高达 3~4V,而水的分解电压仅为1.23V,若电解液中含有较多水分,在高电压充放电下分解,会造成电池性能劣化;而电解液中游离酸过高,也会影响电池性能,如氢氟酸会与锂离子形成LiF,导致充放电过程中负极界面形成阻隔,电池内阻増大,影响到负极材料锂离子的正常嵌入和脱嵌。
CN201510499986.6公开了一种高稳定性锂离子电池电解液,在其电解液中添加三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、N,N-二甲基丙酰胺、 N-甲基-2-吡咯烷酮中的任意一种及以上,三种化合物按摩尔数 1:0.5-8:0.3-5组合,添加量占锂离子电池电解液总质量的 0.05-0.3%,由于上述添加剂具有N/P孤电子对,能与PF5形成六配体的配合物,从而抑制了PF5与电解液中微量杂质反应引起的色度上升。
CN201910233858.5公开了一种高温稳定性电解液及其锂离子电池,使用多能耐除水成膜添加剂2-氟甲基4,5-二氰基咪唑锂(LiTDi) 和多氟醚添加剂,其结构中的氰基通过氢键与水络合,从而抑制六氟磷酸锂的水解,同时可以参与SEI膜的形成,而多氟醚添加剂形成的 SEI膜为多氟代的有机锂化合物,其热稳定性优于常规的有机烷基碳酸锂SEI膜,从而提高电解液的高温稳定性,提升锂离子电池的高温性能。
发明内容
针对背景技术中提到的问题,本发明通过在锂离子电池电解液中添加稳定剂,形成一种高稳定性锂离子电池电解液,解决锂离子电池电解液在生产、储存过程中水分、游离酸偏高的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案具体阐述如下。
一种高稳定性锂离子电池电解液,其特征在于:包括电解质锂盐、脂类溶剂和电解液稳定剂;所述电解液稳定剂为六甲基二硅胺烷。
优选地,所述电解质锂盐为六氟磷酸锂。
优选地,所述电解质锂盐占电解液的质量比为12.5wt%。
优选地,所述脂类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯按质量比为1:1:1配制的混合液。
优选地,所述六甲基二硅胺烷占电解液的质量比为 0.3-0.8wt%。
一种含有该电解液的电池,其制作步骤如下(以重量百分比计):
1)正极极片
将聚偏二氟乙烯(PVDF)溶解在40~100%的N-甲基吡咯烷酮 (NMP)溶剂中,制得粘合剂溶液,将事先混合均匀的LiCoO2和乙炔黑粉末加入到粘合剂溶液中,置于超声波振荡仪中振荡10min,固定于磁力搅拌器充分搅拌混合均匀,制得正极浆料。用涂布机将该正极浆料均匀涂敷到厚度15um的铝箔两面,经过150℃真空加热干燥1h,辊压,制得正极极片。正极材料组成比例为LiCo〇2:乙炔黑:PVDF= 90:5:5(质量比)。
2)负极极片
将2.5%丁苯橡胶(SBR)、1.5%增稠剂(CMC)、1.5%导电剂混合,添加1500mL去离子水充分搅拌,将94.5%的石墨加入上述溶液均匀,配成负极浆料。用涂布机均匀涂敷到9um的铜箔两面,经过125℃真空加热干燥1h,辊压、裁片制得负极极片。
3)锂离子电池的制备
将上述步骤1)、2)制备的正极极片、负极极片及复合隔膜接上极耳后依次叠加,卷绕成一个方型锂离子的电极组,将该电极组纳入方型电池铝壳后灌注上述制备的电解液,经化成等工艺后制成锂二次电池并测试。操作在高纯氩气环境的手套箱中进行。
本发明具有的优点和积极效果是:
1.本发明在锂离子电池电解液添加六甲基二硅胺烷(HMDS) 作为稳定剂,能与PFs形成六配体的配合物,降低PF5的反应活性,减少PF5与电解液中杂质发生副反应,抑制电解液在高温条件下的酸度、色度快速上升;
2.六甲基二硅胺烷(HMDS)稳定剂可在电解液中发生缓慢水解反应,其碱性水解产物可有效捕捉电解液中的微量HF,从而有效降低电解液水分含量并抑制其酸度上升。
3、由于HF能够与负极石墨表面上电解质膜(SEI膜)中的主要成分Li2CO3、LiOH、Li2O发生反应,生成LiF在负极表面发生沉积,从而减少或阻止Li+通过,导致电池内阻增大,本发明含有该锂离子电池电解液的电池,通过减少HF的形成,提高了电池的电化学性能和循环性能。
附图说明
图1为不同电解液制作的电池循环性能图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面结合具体实施例对本发明进行进一步的描述。
本发明提供一种高稳定性锂离子电池电解液及含有该电解液的电池。
实施例(电解液1)
在充满氩气的手套箱(水分<10ppm,氧分<10ppm)中,按照碳酸乙烯酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC):碳酸二乙酯(DEC)=1:1:1(质量比) 配制混合液,向混合液中缓慢加入1mol的六氟磷酸锂和六甲基二硅胺烷(HMDS),六氟磷酸锂占电解液质量比为12.5wt%,六甲基二硅胺烷(HMDS)占电解液质量比为0.5wt%,搅拌均匀。将电解液经过60 ℃/24h高温储存,用Metrohm KF-831型(瑞士万通)库仑水分测试仪对电解液进行水分含量的测定,用Metrohm877型(瑞士万通)电位滴定仪对电解液进行游离酸含量(以HF计)的测定。
对比例(电解液2)
在充满氩气的手套箱(水分<10ppm,氧分<10ppm)中,按照碳酸乙烯酯(EC):碳酸甲乙酯(EMC):碳酸二乙酯(DEC)=1:1:1(质量比) 配制混合液,向混合液中缓慢加入1mol的六氟磷酸锂,六氟磷酸锂占电解液质量比为12.5wt%,搅拌均匀。将电解液经过60℃/24h高温储存,用Metrohm KF-831型(瑞士万通)库仑水分测试仪对电解液进行水分含量的测定,用Metrohm 877型(瑞士万通)电位滴定仪对电解液进行游离酸含量(以HF计)的测定。
表1 60℃/24h不同电解液中H2O和HF含量的测定结果
从表1可以看出,经过60℃/24h高温储存后,实施例电解液1的稳定性明显好于对比例电解液2,表明在电解液中加入六甲基二硅胺烷(HMDS) 后,电解液的高温储存能力提高了。这是因为,未添加HMDS的电解液中,LiPF6与H2O反应完全,使得HF的含量大大増加;而添加0.5% HMDS的电解液中,HMDS结构中含有的Si-N键,既可以和H2O发生反应,又可以和HF发生反应,见式(4)、(5)],生成的产物NH3又能与HF继续反应,从而抑制了LiPF6与H2O的反应,使电解液中HF 的含量减少,电解液的稳定性得以提高。
以电解液1、2分别制作型号为553436的铝壳电池,用电池测试柜(广州擎天)对电池进行充放电性能测试。高温储存测试(85℃/4 h)操作程序:室温下,以1C恒流充电至4.2V,再在4.2V恒压充电到I<0.02C时停止,静置5min;然后以1C恒流放电到3.0V,静置5min;再次以1C恒流充电至4.2V,再在4.2V恒压充电到I<0.02C 时停止,测试此时电池的电压、内阻及厚度。放入高低温箱(重庆汉巴)中,调节温度至85℃,待温度稳定后计时,将电池在85℃条件下储存4h后取出迅速测试电池厚度(热测),将电池室温下冷却2h后测试厚度、电压及内阻。用电池测试柜测试储存过的电池的剩余容量及可恢复容量,操作程序为:室温下以1C恒流放电到3.0V,记录此时的剩余容量,静置5min;以1C恒流充电至4.2V,再在4.2 V恒压充电到I<0.02C时停止,静置5min;再以1C恒流放电到3.0V,记录电池的可恢复容量,静置5min,结束测试。
表2电池经高温储存测试(85℃/4h)与测试前性能比较表
从表2可以看出,以HMDS作为锂离子电池电解液的稳定剂,经高温储存后电池各项性能明显好于不含HMDS的电解液制作的电池。从电解液方面来看,电池性能的恶化主要有以下两个因素:(1)水和游离酸等杂质的影响;
(2)电解液中有机溶剂的不可逆氧化反应的影响。
尽管水和游离酸等杂质在电解液使用之前经过严格控制,但是在电池的充放电过程中还是会产生,尤其是在电池偶尔过充的情况下。可能的机理是:
除此之外,还存在10-6级与制备相关的酸含量,例如:LiPF6 中HF的含量至少有50×10-6mol/L;反应所形成的酸进一步与电化学电池中的组分发生反应,并且能够腐蚀电化学电极表层。加入HMDS后,通过与PF5间的弱结合而降低PF5的反应活性,就能起到稳定六氟磷酸锂基电解液的作用。
从负极方面来看,就石墨而言,HF会与其表面上电解质膜(SEI 膜)中的主要成分Li2CO3、LiOH、Li2O等发生反应,生成LiF并在负极表面发生沉积,原始膜因而被含有LiF的膜置换,而与原始膜相比,后者能减少或阻止Li+通过,结果导致电池内阻增大,并因此降低电池性能。
在室温下对两种电解液制作的电池进行循环测试,操作程序:根据要求设置循环次数N,从第1次循环开始,以1C恒流充电至4.2V,记录电池容量,再以1C恒流放电到2.95V,静置5min后重新进行充电和放电,如此循环。电压上限为4.25V、下限为2.95V,电池标称容量为700mAh。
从图1可以看出,电池循环100次之后,以电解液(1)、电解液 (2)制作的电池的容量保持率分别为90.3%和93.1%,说明加入HMDS 可以抑制电解液在储存过程中LiPF6的水解及热解,减少电解液中 H2O和HF的含量,电解液的稳定性得以提高。因而电池在长循环后仍然维持较高的充放电容量。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种高稳定性锂离子电池电解液,其特征在于:包括电解质锂盐、脂类溶剂和电解液稳定剂;所述电解液稳定剂为六甲基二硅胺烷。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电解液,其特征在于:所述电解质锂盐为六氟磷酸锂。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电解液,其特征在于:所述电解质锂盐占电解液的质量比为12.5wt%。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电解液,其特征在于:所述脂类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯按质量比为1:1:1配制的混合液。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电解液,其特征在于:所述六甲基二硅胺烷占电解液的质量比为0.3-0.8wt%。
6.根据权利要求1所述的一种含有该电解液的电池,其制作步骤如下(以重量百分比计):
1)正极极片
将聚偏二氟乙烯(PVDF)溶解在40~100%的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,制得粘合剂溶液,将事先混合均匀的LiCo〇2和乙炔黑粉末加入到粘合剂溶液中,置于超声波振荡仪中振荡10min,固定于磁力搅拌器充分搅拌混合均匀,制得正极浆料。用涂布机将该正极浆料均匀涂敷到厚度15um的铝箔两面,经过150℃真空加热干燥1h,辊压,制得正极极片。正极材料组成比例为LiCo〇2:乙炔黑:PVDF=90:5:5(质量比)。
2)负极极片
将2.5%丁苯橡胶(SBR)、1.5%增稠剂(CMC)、1.5%导电剂混合,添加1500mL去离子水充分搅拌,将94.5%的石墨加入上述溶液均匀,配成负极浆料。用涂布机均匀涂敷到9um的铜箔两面,经过125℃真空加热干燥1h,辊压、裁片制得负极极片。
3)锂离子电池的制备
将上述步骤1)、2)制备的正极极片、负极极片及复合隔膜接上极耳后依次叠加,卷绕成一个方型锂离子的电极组,将该电极组纳入方型电池铝壳后灌注上述制备的电解液,经化成等工艺后制成锂二次电池并测试。操作在高纯氩气环境的手套箱中进行。
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