CN112186251A - 一种锂离子电池非水性电解液及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池非水性电解液及锂离子电池，所述锂离子电池非水性电解液包括电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括含化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯和1,3‑丙烷磺酸内酯的混合物。本发明的锂离子电池非水性电解液中化合物A、化合物B的共同作用，发挥协同作用，有效降低锂电池的界面阻抗，提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。

Description

一种锂离子电池非水性电解液及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种锂离子电池非水性电解液及锂离子电池。
背景技术
目前现有的工业制造锂离子电池所用的电解液，电解质主要为LiPF6、LiBF4、LiCLO4、LiI等，电解质浓度为0.1～2.0mol/L，以EC-PC-DMC-DEC-EMC(其中EC为碳酸乙烯酯、PC为碳酸丙烯、DMC为碳酸二甲酯、DEC为碳酸二乙酯、EMC为碳酸甲乙酯)等有机物为溶剂。
电解液对锂电池的性能影响比较大，这主要是由于电解液的成分、浓度、黏度、电导率与电极表面反应相关联。电解液的导电性、电极反应的可逆性直接影响锂电池的放电容量，电解液的稳定性会影响锂电池的安全性能，电解液对锂电池的比容量、工作温度范围、充放电循环效率、高低温性能也有较大影响。
目前大量使用的锂电池SEI膜成膜添加剂VC(碳酸亚乙烯酯)、VEC(碳酸乙烯亚乙酯)、FEC(氟代碳酸乙烯酯)在高温下不稳定容易分解导致锂电池高温性能变差。有研究表明，微量六甲基二硅胺烷(HMDS)(0.5％)可以抑制锂电池电解液在储存过程中LiPF6的水解，减少电解液中水和氢氟酸的含量，从而提高了电解液储存的热稳定性。还有相关含有磷酸酯基团的非水性电解液添加剂，该添加剂可以提高锂电池的高温性能。CN102637901A公开了一种锂离子电池电解液及其制备方法，其中使用含硅胺类的添加剂，可以提高电解液的热稳定性。但经研究发现，含有磷酸酯基团添加剂生成的界面钝化膜比较厚，电池阻抗较大从而导致低温性能很差。
高镍三元锂离子电池电解液目前无法兼顾锂电池高低温性能，界面阻抗偏高并且电解液热稳定性差导致高温下容易分解产生HF，腐蚀界面和隔膜，生成有颜色的物质。因此，在本领域中期望开发一种新的电解液以期解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池非水电解液及锂离子电池。本发明的电解液可以提高锂电池的高低温性能，同时兼顾电解液的热稳定性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种锂离子电池非水性电解液，所述锂离子电池非水性电解液包括电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括含化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯和1,3-丙烷磺酸内酯的混合物；
所述化合物A的通式为：
Figure BDA0002712813620000021
其中，R1、R2、R3为烷基、烯基、多烯基、芳香烃基或烷氧基中的一种，R4为乙氰基、甲氰基、氰基苯基中的一种；
所述化合物B的通式为：
Figure BDA0002712813620000031
其中，R1'为烷基、烯基、多烯基、芳香烃基、烷氧基或氟代烷氧基中的一种；R2'为为异氰酸酯、甲基异氰酸酯、正丁基异氰酸酯、叔丁基异氰酸酯中的一种；
优选地，所述烷基为碳原子数1-7(例如1、2、3、4、5、6或7)的烷基。
优选地，所述烯基为碳原子数为2-7(例如2、3、4、5、6或7)的烯基。
在本发明中，化合物A是在含磷酸酯基团的基础上引入氰基类基团，能在锂电池正、负电极表面形成很好的钝化膜，以很好地保护正、负电极表面，明显降低锂电池的界面阻抗，大大提高锂电池的高温性能。化合物B作为高温热稳定剂，能抑制电解液在高温存储中锂盐(例如LiPF6)的水解，在提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。通过化合物A、化合物B的共同作用，有效降低锂电池的界面阻抗，碳酸亚乙烯酯能够在负极生成稳定的SEI膜，1,3-丙烷磺酸内酯能够在正极成膜，保护正极，提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。
在本发明中，多烯基是指含有两个以上不饱和双键的烯烃基。
优选地，所述化合物A选自3-氰基苯基磷酸二乙酯、氰甲基磷酸二乙酯或4-氰基苄基亚磷酸二乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述化合物B选自邻甲基苯磺酰异氰酸酯、对甲基苯磺酰异氰酸酯或2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述电解质的含量为11.03％～12.27％，例如11.03％、11.32％、11.56％、11.68％、11.72％、11.85％、12％、12.12％、12.24％、12.27％。
优选地，所述电解质为六氟磷酸锂、双草酸硼酸酯锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟磺酰亚胺锂或双氟磺酰亚胺锂中的一种或至少两种的组合。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述非水性有机溶剂的含量为76.47％～85.03％，例如76.47％、76.83％、77％、77.8％、78％、80％、80.53％、83％、83.56％、85％、85.03％。
优选地，所述非水性有机溶剂选自碳酸酯类或/和羧酸酯类化合物。
优选地，所述碳酸酯类化合物选自环状碳酸酯和链状碳酸酯。
优选地，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一种。
优选地，所述链状碳酸酯选自碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯中的一种或至少两种的组合。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述添加剂的含量为2.7％～12.5％，例如2.7％、3％、3.5％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％或12.5％。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述化合物A的含量为0.1％～5％、化合物B的含量为0.1％～5％、碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％。
进一步优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述化合物A的含量为0.1％～3％、化合物B的含量为0.1％～3％、碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％。
当化合物A含量小于0.2％时，其在电极界面的SEI膜成膜效果较差，对电极表面起不到很好的保护作用，当化合物A含量大于4％时候，其在电极界面的SEI膜成膜较厚，会严重地增加界面阻抗，劣化电池性能。
当化合物B含量小于0.2％时，抑制LiPF6水解的效果不明显，当化合物B含量大于4％时，会增大电解液黏度，锂离子迁移会变得困难，影响锂电池的低温性能。
优选地，所述电解质为LiPF6时，所述非水性有机溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述电解质的含量为11.03％～12.27％，所述非水性有机溶剂的含量为76.47％～85.03％。
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述碳酸乙烯酯的含量为28.25％～31.41％、所述碳酸甲乙酯的含量为34.82％～38.72％、所述碳酸二乙酯的含量为13.40％～14.90％。
另一方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如上所述的锂离子电池非水性电解液。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的锂离子电池非水性电解液中化合物A、化合物B的共同作用，发挥协同作用，有效降低锂电池的界面阻抗，提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。
附图说明
图1为使用实施例1～12、对比例1～3的电解液制造的4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池的45℃循环，1C/1C，循环500周放电容量保持率的曲线图；
图2为使用实施例1～12、对比例1～3的电解液制造的4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池在-20℃，0.5C放电容量保持率的曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.03g，EC为28.25g、EMC为34.82g、DEC为13.40g，化合物A(3-氰基苯基磷酸二乙酯)为5g、化合物B(邻甲基苯磺酰异氰酸酯)为5g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例2
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.54g，EC为29.54g、EMC为36.41g、DEC为14.01g，化合物A(3-氰基苯基磷酸二乙酯)为3g、化合物B(邻甲基苯磺酰异氰酸酯)为3g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例3
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.67g，EC为29.86g、EMC为36.81g、DEC为14.16g，化合物A(3-氰基苯基磷酸二乙酯)为2g、化合物B(邻甲基苯磺酰异氰酸酯)为3g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例4
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.92g，EC为30.51g、EMC为37.60g、DEC为14.47g，化合物A(3-氰基苯基磷酸二乙酯)为1g、化合物B(邻甲基苯磺酰异氰酸酯)为2g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例5
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.04g，EC为30.83g、EMC为38.01g、DEC为14.62g，化合物A(氰甲基磷酸二乙酯)为1g、化合物B(对甲基苯磺酰异氰酸酯)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例6
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.12g，EC为31.02g、EMC为38.24g、DEC为14.72g，化合物A(氰甲基磷酸二乙酯)为0.4g、化合物B(对甲基苯磺酰异氰酸酯)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例7
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.14g，EC为31.09g、EMC为38.32g、DEC为14.75g，化合物A(氰甲基磷酸二乙酯)为0.2g、化合物B(对甲基苯磺酰异氰酸酯)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例8
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.12g，EC为31.02g、EMC为38.24g、DEC为14.72g，化合物A(氰甲基磷酸二乙酯)为1g、化合物B(对甲基苯磺酰异氰酸酯)为0.4g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例9
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.19g，EC为31.22g、EMC为38.48g、DEC为14.81g，化合物A(4-氰基苄基亚磷酸二乙酯)为0.4g、化合物B(2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯)为0.4g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例10
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.22g，EC为31.28g、EMC为38.56g、DEC为14.84g，化合物A(4-氰基苄基亚磷酸二乙酯)为0.2g、化合物B(2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯)为0.4g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例11
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.22g，EC为31.28g、EMC为38.56g、DEC为14.84g，化合物A(4-氰基苄基亚磷酸二乙酯)为0.3g、化合物B(2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯)为0.3g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
实施例12
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.27g，EC为31.41g、EMC为38.72g、DEC为14.90g，化合物A(4-氰基苄基亚磷酸二乙酯)为0.1g、化合物B(2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯)为0.1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于锂离子电池非水性电解液中不含有化合物B，化合物A的用量为10g。
对比例2
与实施例1不同之处仅在于锂离子电池非水性电解液中不含有化合物A，化合物B的用量为10g。
对比例3
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.3g，EC为31.48g、EMC为38.8g、DEC为14.92g，碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g。
将实施例1～12、对比例1～3的电解液，分别在50℃高温下存储30天，电解液性能数据如下表1所示：
表1
Figure BDA0002712813620000091
Figure BDA0002712813620000101
由表1可见，随着化合物B含量从高到低，色度和HF含量逐渐增大，很明显看出化合物B对电解液高温下色度和HF的产生有良好的抑制效果以达到提高电解液热稳定性的目的。
将实施例1～12、对比例1～3的电解液，分别用于制造4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池。
使用实施例1～12、对比例1～3的电解液制造的4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池的45℃循环，1C/1C，循环500周放电容量保持率的曲线图如图1所示，由图1可以看出，通过化合物A和化合物B之间协同作用以及合适的添加比例，当添加化合物A质量百分含量1％和化合物B质量百分含量0.4％时，实施例8的电池循环性能最优。
使用实施例1～12、对比例1～3的电解液制造的4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池在-20℃，0.5C放电容量保持率的曲线图如图2所示，由图2可以看出，通过化合物A和化合物B之间协同作用以及合适的添加比例，当添加化合物A质量百分含量1％和化合物B质量百分含量0.4％时，实施例8的电池低温放电性能最优。
锂电池性能对比数据如下表2所示：
表2
Figure BDA0002712813620000111
由表2可见，实施例1～12的电池性能明显优于对比例1～3。综合电解液热稳定性和电池性能来看实施例8是最优的方案。
本发明的优点是：通过化合物A、化合物B的共同作用，有效降低锂电池的界面阻抗，提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。
本发明化合物A是在含磷酸酯基团的基础上引入氰基类基团，能在锂电池正、负电极表面形成很好的钝化膜，以很好地保护正、负电极表面，明显降低锂电池的界面阻抗，大大提高锂电池的高温性能。当化合物A含量小于0.2％时，其在电极界面的SEI膜成膜效果较差，对电极表面起不到很好的保护作用，当化合物A含量大于4％时候，其在电极界面的SEI膜成膜较厚，会严重地增加界面阻抗，劣化电池性能。化合物B作为高温热稳定剂，能抑制电解液在高温存储中LiPF6的水解，在提高锂电池的高温和低温性能同时兼顾到电解液热稳定性。当化合物B含量小于0.2％时，抑制LiPF6水解的效果不明显，当化合物B含量大于4％时，会增大电解液黏度，锂离子迁移会变得困难，影响锂电池的低温性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的锂离子电池非水性电解液及锂离子电池，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池非水性电解液，其特征在于，所述锂离子电池非水性电解液包括电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括含化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯和1,3-丙烷磺酸内酯的混合物；
所述化合物A的通式为：
Figure FDA0002712813610000011
或
Figure FDA0002712813610000012
其中，R1、R2、R3为烷基、烯基、多烯基、芳香烃基或烷氧基中的一种，R4为乙氰基、甲氰基、氰基苯基中的一种；
所述化合物B的通式为：
Figure FDA0002712813610000013
其中，R1'为烷基、烯基、多烯基、芳香烃基、烷氧基或氟代烷氧基中的一种，R2'为异氰酸酯、甲基异氰酸酯、正丁基异氰酸酯、叔丁基异氰酸酯中的一种。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，所述烷基为碳原子数1-7的烷基；
优选地，所述烯基为碳原子数为2-7的烯基。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，所述化合物A选自3-氰基苯基磷酸二乙酯、氰甲基磷酸二乙酯或4-氰基苄基亚磷酸二乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，所述化合物B选自邻甲基苯磺酰异氰酸酯、对甲基苯磺酰异氰酸酯或2-(三氟甲氧基)苯磺酰异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述电解质的含量为11.03％～12.27％；
优选地，所述电解质为六氟磷酸锂、双草酸硼酸酯锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟磺酰亚胺锂或双氟磺酰亚胺锂中的一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述的非水性有机溶剂含量为76.47％～85.03％；
优选地，所述非水性有机溶剂选自碳酸酯类或/和羧酸酯类化合物；
优选地，所述碳酸酯类化合物选自环状碳酸酯或链状碳酸酯；
优选地，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯中的至少一种；
优选地，所述链状碳酸酯选自碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯中的一种或至少两种的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述添加剂的含量为2.7％～12.5％；
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％；
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述化合物A的含量为0.1％～5％、化合物B的含量为0.1％～5％、碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％；
进一步优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述化合物A的含量为0.1％～3％、化合物B的含量为0.1％～3％、碳酸亚乙烯酯的含量为1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯的含量为1％。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的锂离子电池非水性电解液，其特征在于，所述电解质为LiPF6时，所述非水性有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯的混合物，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述电解质的含量为11.03％～12.27％，所述非水性有机溶剂的含量为76.47％～85.03％；
优选地，以所述锂离子电池非水性电解液的质量为100％计，所述碳酸乙烯酯的含量为28.25％～31.41％、所述碳酸甲乙酯的含量为34.82％～38.72％、所述碳酸二乙酯的含量为13.40％～14.90％。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求1-9中任一项所述的锂离子电池非水性电解液。
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