CN112531213A - 兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子电池 - Google Patents

兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子电池。本发明的非水电解液，以其总重为基准，包括以下质量分数的组分：非水性有机溶剂70‑90％、电解质锂盐5‑20％及添加剂；以非水电解液的总重为基准，添加剂包括二氟磷酸锂0.1‑2.5％、丙磺酸内酯0.1‑2.5％、双氟磺酰亚胺锂0.5‑3％、四乙烯基硅烷0.1‑1％和二氟双草酸磷酸锂0.1‑1.5％。本发明的非水电解液在高电压下稳定性好、循环性较好、在高温存储方面产气量较小、DCR增长较小，可提高锂离子电池在高温高压下的电化学特性。

Description

兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子 电池
技术领域
本发明涉及蓄电装置技术领域，尤其涉及一种兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子电池。
背景技术
近年来，蓄电装置，特别是锂二次电池，作为手机或笔记本型电脑等小型电子设备的电源、电动汽车或电力储藏用的电源而被广泛使用。其中，在平板终端或超级本(ultrabook)等薄型电子设备中，以及部分纯电动新能源车当中，较多采用在外包装部件中使用铝层压薄膜等层压薄膜的层压型电池或方型电池，但这些电池由于为薄型软包，因而容易产生因电芯内部气体的产生而发生的膨胀等变形的问题，该变形会严重影响电子设备及模组的正常工作。
此外，新能源汽车市场对电池的倍率特性要求逐渐提升，特别是一些对倍率性能有要求的车辆(如PHEV等)在市场中占有不少份额，因此要求电池具有较低阻抗；而低阻抗特性好的电池往往高温保存方面产气偏高，无法有效的兼顾高低温性能。此外，若要提高电解液高温特性，需添加高温添加剂，但往往因其阻抗原因，导致常温循环特性较差。
另一方面，为了提高电池的容量，采用高电压正极材料是提高锂离子电池能力密度的有效途径，而高电压下，电解液易分解，导致产气较为严重，严重影响电芯的性能。
为了降低电池阻抗，从电解液角度改善能较快地取得降低阻抗的效果。但是目前低阻抗的电解液，高温特性较差，高温产气较多、存储DCR增长较大。因此，亟需开发一种高电压下稳定性好、循环性较好、在高温存储方面产气量较小、DCR增长较小的电解液。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种兼顾高温特性与常温循环的非水电解液、其应用及锂离子电池，本发明的非水电解液在高电压下稳定性好、循环性较好、在高温存储方面产气量较小、DCR增长较小，可提高锂离子电池在高温高压下的电化学特性。
本发明的第一个目的是公开一种非水电解液，以其总重为基准，包括以下质量分数的组分：
非水性有机溶剂70-90％、除双氟磺酰亚胺锂之外的电解质锂盐5-20％及添加剂；
以非水电解液的总重为基准，添加剂包括二氟磷酸锂(LiF2PO2)0.1-2.5％、丙磺酸内酯(PS)0.1-2.5％、双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)0.5-3％、四乙烯基硅烷(TVS)0.1-1％和二氟双草酸磷酸锂(ODFP)0.1-1.5％。
优选地，以非水电解液的总重为基准，添加剂包括二氟磷酸锂(LiF2PO2)0.1-2.5％、丙磺酸内酯(PS)0.1-2.5％、双氟磺酰亚胺锂(LiFSi)0.5-3％、四乙烯基硅烷(TVS)0.1-0.5％、二氟双草酸磷酸锂(ODFP)0.3-1％。
若TVS含量超过1.0％，对抑制产气效果无明显提高，且电解液的阻抗增加；ODFP含量高于1.5％，化成阶段电解液中易残留，在使用过程中分解，影响后期高温特性及循环特性。
进一步地，添加剂还包括硫酸乙烯酯(DTD)，硫酸乙烯酯占非水电解液质量分数的2％以下。
进一步地，添加剂还包括碳酸亚乙烯酯(VC)，碳酸亚乙烯酯占非水电解液质量分数的1％以下。
进一步地，非水性有机溶剂选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸乙基甲酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)中的一种或几种。
进一步地，非水性有机溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯。
进一步地，碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯的质量比为1-5:2-7:1-6:0-4。
优选地，非水性有机溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯和碳酸二乙酯，碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯的质量比为3:5:2。
本发明选择碳酸脂系溶剂作为非水性有机溶剂，具有较优的锂离子电导率，溶剂体系粘度较低，动力学性能较好，有助于形成稳定的SEI膜；同时混合溶剂沸点较高，化学窗口较稳定，兼顾了高温性能。
进一步地，电解质锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)和/或双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSi)。
本发明的非水电解液中，添加使用的二氟磷酸锂、LiFSi等无机盐，可与EC等溶剂的分解产物在负极表面形成有机-无机电解质膜，减少正极过渡元素溶出迁移到负极造成的SEI膜破坏，减少还原性气体产生。同时，锂盐类添加剂能够取代部分电解质锂盐(如LiPF6)，降低PF5的浓度，由此减少其对电解质膜和正负极材料的破坏。PS可以惰化正极材料表面活性点位，减缓电解液的氧化分解反应。四乙烯基硅烷不饱和度高，其中双键基团能够捕获电聚合产生的自由基进行聚合成膜，由于含Si部分电子电导较差，电解质膜可以自主结束电聚合，控制膜的厚度。这样成的膜既能保护负极，又具有相当的稳定性，使电池具有良好的高温性能，但其电导较差导致常温循环特性不好。电子电导带来的较高DCR阻抗可以通过调节溶剂比例、调整添加剂组成来平衡。二氟双草酸磷酸锂(ODFP)，在化成阶段优先在负极表面形成SEI膜，具有优良的锂离子通过性，且稳定性较好，长期看DCR增长缓慢，可以保证长循环性能稳定。本发明中的非水电解液中缺少任何一种添加剂均无法达到预期效果，特别是通过添加四乙烯基硅烷来提升高温特性，通过二氟双草酸磷酸锂辅助稳定循环性能。
本发明的第二个目的是公开上述非水电解液作为高电压锂离子电池的电解液中的应用，高电压锂离子电池的充电电压为5V以下。
进一步地，高电压锂离子电池的高温保存温度范围为45℃～80℃。
本发明的第三个目的是提供一种锂离子电池，包括：正极、负极、位于正极和负极之间的隔膜以及本发明的上述非水电解液；
正极包括正极活性材料；
负极包括负极集流体和设置于负极集流体上的负极膜片，负极膜片包括负极活性物质、负极导电剂和粘结剂。
进一步地，正极活性材料为三元正极材料，三元正极材料的结构式为LiNixCoyMnzL(1-x-y-z)O2，其中，L为Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、W或Fe，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0.5≤x+y+z≤1。
进一步地，负极活性物质选自碳系负极活性物质或石墨系负极活性物质；负极导电剂选自乙炔黑、导电炭黑、碳纤维、碳纳米管和科琴黑中的一种或几种。
进一步地，锂离子电池为袋型(软包)二次电池。
进一步地，碳系负极活性物质选自结晶碳、无定形碳和碳复合材料中的一种或几种。
进一步地，石墨系负极活性物质选自天然石墨和/或人造石墨。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明的非水电解液通过多种添加剂的组合，控制电解液在高电压(高达5V)下在高温(45℃～80℃)保存时的产气。以TVS做为高温添加剂使用，抑制了电解液的高温产气及DCR增长；搭配成膜剂ODFP使用，并且平衡合适的用量，优化SEI膜提高循环特性；使电解液达到兼顾高温存储及常温循环特性的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
图1是不同锂二次电池的高温存储后产气体积变化量测试结果；
图2是不同锂二次电池的高温存储后DCR变化量测试结果；
图3是不同锂二次电池的常温(25℃)循环特性测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
1、非水电解液的制备：
将EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2的比例混合成非水性有机溶剂，将非水性有机溶剂与14wt％的LiPF6非水溶液混合后，并且相对于100重量份的非水电解液计，添加1wt％的二氟磷酸锂、1wt％LiFSi、1wt％DTD、1wt％PS、0.2wt％VC、0.2wt％TVS、0.5wt ODFP，从而得到非水电解液。得到的非水电解液中，非水性有机溶剂的质量分数为81.1％，LiPF6的质量分数为14％。
2、锂二次电池的制备：
以正极材料的总重为基准，将作为正极活物质的97wt％的NCM(LiNixCoyMn1-x-yO2，x≥0.3，y≤0.3，1-x-y≤0.5)，作为导电剂的2wt％的炭黑，作为粘结剂的1wt％的PVDF添加到溶剂NMP中，做成正极混合物浆料。将正极混合物浆料涂布到正极集电体上并干燥，辊压模切后得到正极材料。其中，正极集电体厚度约为15μm，材质为铝箔。
以负极材料的总重为基准，将作为负极活性物质的98wt％人造石墨、作为粘结剂的1wt％的SBR、作为增稠剂的1wt％的CMC溶于水中，制备负极混合物浆料。将负极混合物浆料涂布到作为负极集电体上并进行干燥，之后对其辊压模切得到负极材料。其中，负极集电体的厚度为8μm，材质为铜箔。
将以上制备的正极材料和负极材料与由隔膜一同以常规方法制造了叠片软包电池，其中，隔膜为三层，依次为PP、PE和PP。之后注入步骤1所制备的非水电解液，完成锂二次电池的制造。
对比例1
以实施列1相同的方法制备了锂二次电池，不同之处在于，非水电解液中没有使用TVS和ODFP。具体地，以非水电解液的总重为基准，非水电解液由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂81.8wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF614wt％，1wt％的二氟磷酸锂、1wt％LiFSi、1wt％DTD、1wt％PS、0.2wt％VC。
对比例2
以实施列1相同的方法制备了锂二次电池，不同之处在于，非水电解液没有使用ODFP。具体地，以非水电解液的总重为基准，非水电解液由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂81.6wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF614wt％，1wt％的二氟磷酸锂、1wt％LiFSi、1wt％DTD、1wt％PS、0.2wt％VC，0.2wt％TVS。
对比例3
以实施列1相同的方法制备了锂二次电池，不同之处在于，非水电解液中各物质含量不同。具体地，以非水电解液的总重为基准，非水电解液由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂79.8wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF614wt％，1wt％的二氟磷酸锂、1wt％LiFSi、1wt％DTD、1wt％PS、0.2wt％VC、TVS 1.5wt％、ODFP0.5wt％。
对比例4
以实施列1相同的方法制备了锂二次电池，不同之处在于，非水电解液中各物质含量不同。具体地，以非水电解液的总重为基准，非水电解液由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂79.6wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF614wt％，1wt％的二氟磷酸锂、1wt％LiFSi、1wt％DTD、1wt％PS、0.2wt％VC、TVS0.2wt％、ODFP2wt％。
本发明实施例1及对比例1-4中电解液导电率、密度等物性特征值如下表所示：
表1不同电解液导电率、密度等物性特征值
导电率 密度
实施例1 7.47 1.21
对比例1 7.36 1.17
对比例2 7.29 1.19
对比例3 7.01 1.23
对比例4 7.14 1.24
测试以上制备的锂二次电池的性能：
(1)高温存储后产气体积变化量：将锂二次电池充至4.3V后，在60℃下储存56天；在储存前，储存第7天、第14天、第28天、第42天、第56天时对锂二次电池的体积进行了测量(测试方法为投入水中计算其浮力，后根据阿基米德排水法计算出其体积)，以储存前为基准，各天数对应的电池高温储存后体积变化以百分比计算((对应天数的体积/初始体积-1)×100％)。实验在100％SOC下进行。
(2)高温存储后DCR变化量：将锂二次电池充至4.3V后，在60℃下储存56天；其中在储存前，测50％SOC状态下的DCR，保存第7天、14天、28天、56天测试50％SOC状态下的DCR，以保存前为基准，各天数对应的电池高温储存后DCR变化以百分比计算((对应天数的DCR/初始DCR-1)×100％)。存储是在100％SOC下进行的，DCR是在50％SOC状态下测试的。
(3)测试常温(25℃)循环特性：循环条件为2.8-4.3V，1C充电/1C放电，500cls。
高温存储后产气体积变化量的结果如图1所示。高温存储后DCR变化量的结果如图2所示。从图1-2结果可知，实施例1在高温保存后，体积膨胀量(产气量)较低，且保温存储56天后，DCR增长较低，具有良好的高温特性。综合图1、图2结果可知，本发明的配方兼顾了优良的高温特性和循环特性。同时，从图3结果可知，实施例1循环性能最优。
实施例2
一种非水电解液，以其总重为基准，由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂90wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF68.7wt％，0.1wt％的二氟磷酸锂、0.5wt％LiFSi、0.1wt％PS、TVS 0.5wt％、ODFP 0.1wt％。
实施例3
一种非水电解液，以其总重为基准，由以下质量分数的组分组成：
非水性有机溶剂70wt％(EC/EMC/DEC按质量比约为3:5:2)，LiPF620wt％，2.5wt％的二氟磷酸锂、3wt％LiFSi、2wt％PS、TVS1wt％、ODFP1.5wt％。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非水电解液，其特征在于，以其总重为基准，包括以下质量分数的组分：
非水性有机溶剂70-90％、除双氟磺酰亚胺锂之外的电解质锂盐5-20％及添加剂；
以所述非水电解液的总重为基准，所述添加剂包括二氟磷酸锂0.1-2.5％、丙磺酸内酯0.1-2.5％、双氟磺酰亚胺锂0.5-3％、四乙烯基硅烷0.1-1％和二氟双草酸磷酸锂0.1-1.5％。
2.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述添加剂还包括硫酸乙烯酯，所述硫酸乙烯酯占非水电解液质量分数的2％以下。
3.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述添加剂还包括碳酸亚乙烯酯，所述碳酸亚乙烯酯占非水电解液质量分数的1％以下。
4.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述非水性有机溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述非水性有机溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯。
6.根据权利要求5所述的非水电解液，其特征在于：所述碳酸亚乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯的质量比为1-5:2-7:1-6:0-4。
7.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述电解质锂盐包括六氟磷酸锂和/或双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
8.权利要求1-7中任一项所述的非水电解液作为高电压锂离子电池的电解液中的应用，所述高电压锂离子电池的充电电压为5V以下。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括：正极、负极、位于所述正极和负极之间的隔膜以及权利要求1-7中任一项所述的非水电解液；
所述正极包括正极活性材料；
所述负极包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极膜片，所述负极膜片包括负极活性物质、负极导电剂和粘结剂。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极活性材料为三元正极材料，所述三元正极材料的结构式为LiNixCoyMnzL(1-x-y-z)O2，其中，L为Al、Sr、Mg、Ti、Ca、Zr、Zn、Si、W或Fe，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0.5≤x+y+z≤1。
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