CN112331919A - 一种适用于硅碳负极材料的电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于硅碳负极材料的电解液，包括锂盐、溶剂和添加剂，所述添加剂为包括导电添加剂、成膜添加剂和功能添加剂，导电添加剂为15‑冠醚‑5，成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯，功能添加剂为全氟正丁基磺酰。本发明采用的15‑冠醚‑5对Li+具有优先溶剂化作用，氟代碳酸乙烯酯为环式氟代添加剂，具有双性，与硅碳负极表面沉积形成稳定的SEI膜内层，全氟正丁基磺酰为全氟链式结构，对应位于SEI膜外层。两者合理搭配，使得SEI膜具有双层结构，更加稳定，极大程度解决硅碳材料反复充电过程中体积膨胀的问题，提升了电池的倍率性能和循环性能。

Description

一种适用于硅碳负极材料的电解液
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种适用于硅碳负极材料的电解液。
背景技术
与其它电池相比，锂离子电池凭借比容量高、工作电压高、工作温度范围广和放电电压稳定等优点而被广泛使用。时至今日，锂离子电池已被应用于电子手表、心脏起搏器、计算器及军事设备等方面。硅碳材料结合了硅高容量和石墨结构稳点的特点，被认为是最有可能替代石墨的下一代负极材料。目前，硅碳材料依然存在很多问题，例如，硅碳材料在充放电过程中存在体积膨胀明显、导电性差等问题，致使电池的循环性能和倍率性能无法满足当今市场的需求。
解决硅碳电极在充放电过程中由于体积膨胀、粉化而带来的稳定循环差问题，目前解决的思路主要有两个：（1）优化材料结构和组成；（2）改良电解液。优化硅碳材料结构相对复杂，而通过电解液提升电池性能相对简单、有效，越来越受到科研人员的重视。在电解液里加入能在硅碳电极表面形成SEI膜的添加剂，可以起到稳固电极表面和减少不可逆容量损失的效果。例如，中国发明专利“一种适用于硅碳负极的电解液及包含该电解液的锂离子电池”采用氟代苯基异氰酸酯类化合物和二硅氮基类化合物为成膜添加剂，两个添加剂联合使用所产生的协同效应，有效改善硅碳负极锂离子电池的实际放电能力、循环稳定性、高温存储性能并抑制产气，很好地解决了电池充放电过程中出现的体积膨胀、极片粉化等问题，同时兼具较好的高低温性能。而对于硅碳锂离子电池的倍率性能主要通过离子电导率较高的电解液去改善，例如，冠醚和穴状化合物作为电解液添加剂，能够提高锂盐在有机溶剂中的溶解度，实现阴阳离子对的有效分离和锂离子与溶剂分子的分离，提高电解液的电导率。
发明内容
本发明提出了一种适用于硅碳负极材料的电解液，此电解液既能促使电池负极硅碳表面形成良好的SEI膜，又能提升电解液的离子电导率，提升电池的循环稳定性和倍率性能。
实现本发明的技术方案是：
一种适用于硅碳负极材料的电解液，包括锂盐、溶剂和添加剂，所述添加剂为包括导电添加剂、成膜添加剂和功能添加剂，导电添加剂为15-冠醚-5，成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯，功能添加剂为全氟正丁基磺酰。
所述导电添加剂占电解液质量的0.5-2%，成膜添加剂占电解液质量的5%，功能添加剂占电解液质量的0.5-2%。
所述溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯，三种溶剂的添加量均占电解液质量的26-30%。
所述锂盐为六氟磷酸锂，添加量占电解液质量的10~15%。
所述的电解液的制备方法，步骤如下：
（1）将溶剂和添加剂分别进行除水，控制其含水量低于15 ppm；
（2）将添加剂和锂盐加入溶剂，搅拌溶解，得到电解液。
所述的电解液应用于锂离子电池软包电池中，电池的设计容量为4.5Ah。电池包括正极极片、负极极片、隔膜，正极选用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2，负极选用SiC，比容量为400-600mA·g-1，粘结剂为CMC、SBR混合物（质量比为1:1），导电剂为Super P，隔膜为商业PP隔膜。
本发明的有益效果是：本发明采用的15-冠醚-5对Li+具有优先溶剂化作用，抑制溶剂分子共插，电极界面SEI膜得到优化，增加电导率，提升倍率性能；但是，15-冠醚-5与负极硅碳材料相溶性较差，容易发生共嵌入情况，导致材料膨胀，循环稳定性降低。氟代碳酸乙烯酯为环式氟代添加剂，具有双性，与硅碳负极表面沉积形成稳定的SEI膜内层，全氟正丁基磺酰为全氟链式结构，对应位于SEI膜外层。两者合理搭配，使得SEI膜具有双层结构，极大程度抑制了硅碳材料反复充电过程中体积膨胀，避免了15-冠醚-5的不利影响因素，提升了电池的循环性能。另一方面，全氟正丁基磺酰氟可以减少氟代碳酸乙烯酯的用量，避免电池胀气，保证安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例及对比例循环曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 0.6 g、全氟正丁基磺酰0.6 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为10.6 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
实施例2
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 0.6 g、全氟正丁基磺酰1.2 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为10.4 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
实施例3
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 0.6 g、全氟正丁基磺酰2.4 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为10.2 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
实施例4
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 1.2 g、全氟正丁基磺酰1.2 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为12.8 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/硅碳软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池，用电导仪测得电解液的电导率为10.5 mS/cm。
实施例5
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 1.2 g、全氟正丁基磺酰2.4 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为12.9 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
对比例1
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15冠醚-5 1.2 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为12.8 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
对比例2
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、全氟正丁基磺酰1.2 g、氟代碳酸乙烯酯4.8 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为9.6 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
对比例3
一种适用于锂离子电池硅碳负极材料的电解液，包括以下重量的原料：碳酸乙烯酯30g、碳酸二乙酯30 g、碳酸二甲酯30 g、15-冠醚-5 1.2、全氟正丁基磺酰1.2 g、氟代碳酸乙烯酯6 g、六氟磷酸锂12 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌，用电导仪测得电解液的电导率为12.8 mS/cm。
将制备好的电解液注入LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/SiC软包电池中，软包电池的设计容量为4.5 Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到硅碳负极的锂离子电池。
表1 实施例1-5及对比例1-3性能测试
Figure DEST_PATH_IMAGE002
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于硅碳负极材料的电解液，包括锂盐、溶剂和添加剂，其特征在于：所述添加剂为包括导电添加剂、成膜添加剂和功能添加剂，导电添加剂为15-冠醚-5，成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯，功能添加剂为全氟正丁基磺酰。
2.根据权利要求1所述的适用于硅碳负极材料的电解液，其特征在于：所述导电添加剂占电解液质量的0.5-2%，成膜添加剂占电解液质量的5%，功能添加剂占电解液质量的0.5-2%。
3.根据权利要求1所述的适用于硅碳负极材料的电解液，其特征在于：所述溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯，三种溶剂的添加量均占电解液质量的26-30%。
4.根据权利要求1所述的适用于硅碳负极材料的电解液，其特征在于：所述锂盐为六氟磷酸锂，添加量占电解液质量的10~15%。
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Application publication date: 20210205

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