CN112635830B - 一种无ec的锂离子电池电解液及其应用 - Google Patents

一种无ec的锂离子电池电解液及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无EC的锂离子电池电解液及其应用，所述电解液包括电解质锂盐、有机溶剂及添加剂；其中，所述添加剂包括正极添加剂和负极添加剂，所述正极添加剂包括1‑丙烯‑1,3‑磺酸内酯，本发明采用无EC溶剂及1‑丙烯‑1,3‑磺酸内酯相互协同作用，有效的提高了电池在高电压(4.4V)循环稳定性，进而有效提升了电池在高电压下高温及循环性能的稳定性。

Description

一种无EC的锂离子电池电解液及其应用
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种无EC的锂离子电池电解液及其应用。
背景技术
随着消费类电子产品以及新能源汽车的广泛应用，高比能量锂离子电池成为了科研工作者的研究热点之一，而材料比容量和充电的上限电压就直接决定电池的能量密度。而充电上限电压取决于正极材料与电解液在高电压下的稳定性。为实现对锂离子电池高能量密度的需求，高镍-硅碳体系目前被认为是最有前景的电池体系之一，与之相匹配的电解液技术起着至关重要作用。经过多年的发展和不断的优化，目前商业化动力电池电解液由电解质、有机溶剂和添加剂三部分组成，其中溶剂组分主要为有机碳酸酯溶剂和羧酸酯溶剂，包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)和丙酸丙酯(PP)、乙酸丙酯(PA)、丙酸乙酯(EP)等，单一溶剂无法使电池正常工作，需要溶剂之间的搭配组合，才可以兼顾电池在高低温下正常充放电。其中，溶剂碳酸乙烯酯(EC)由于其具有较高介电常数，可以解离更多锂盐，提高电导率及其在化成阶段可以形成稳定SEI膜钝化层，以保证电池具有优异的循环性能，在实际使用中EC占总溶剂30％左右，EC已成为电解液中不可或缺的溶剂组分。
CN108155416A公开了一种低温高电压锂离子电池电解液，包括锂盐、有机溶剂和成膜添加剂，其通过将锂盐和有机溶剂混合形成电解液体系，然后加入成膜添加剂制得，所述锂盐为LiBF4和LiODFB混合物，其中LiBF4和LiODFB的摩尔比为9:1～1:9，有机溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸甲基乙基酯，碳酸乙烯酯和碳酸甲基乙基酯体积比为1:2.5～4，所述电解液体系中锂盐浓度为0.9～1.2mol/L，成膜添加剂为氟代碳酸乙烯酯，成膜添加剂用量为电解液总质量的1～6％。其所述电解液适用于高电压电池，制备的高电压电池具有优良的循环性能，而且具有优良耐低温性能。但是其使用碳酸乙烯酯溶剂，碳酸乙烯酯(EC)在高电压4.4V时容易在正极发生氧化分解造成严重胀气及阻抗不断上升。
CN110994031A公开了一种快充耐高温电解液及制备方法，包括十六烷基三甲基铵、丁基三甲基铵、双草酸硼酸锂、溶剂和添加剂；溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸丙烯酯，电解液中含有的溶剂的质量百分比为25～29％EC、37～45％DEC、6～8％PC；添加剂为碳酸亚乙烯酯或者亚硫酸丙烯酯中的一种或者多种；电解液中双草酸硼酸锂的浓度为0.45±0.1mol/L。本申请采用十六烷基三甲基铵、丁基三甲基铵和双草酸硼酸锂取代传统的LiPF6作为电解质，在室温下电解液完全由阴、阳离子构成的液态有机盐,具有导电性,分解电压大于常规电解质,在较宽的温度范围内不挥发和不易燃本；其所述电解液电导率高、力学性能较好,由于没有溶剂挥发和漏液等现象,可以使电池的安全性和稳定性得到提高；经过测试采用本申请电解液的锂离子聚合物电池能满足5C快充的要求，但是其使用的碳酸乙烯酯(EC)熔点为36.5℃，常温下为固体，低温下容易结晶析出，粘度上升，电导率下降，导致低温电性能变差。
上述方案均使用碳酸乙烯酯作为溶剂，会导致高压下安全性能差，低温下点性能差的问题，因此开发一种不使用碳酸乙烯酯但又能保证电导率和循环性能的电解液是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无EC的锂离子电池电解液及其应用，所述电解液包括电解质锂盐、有机溶剂及添加剂；其中，所述添加剂包括正极添加剂和负极添加剂，所述正极添加剂包括1-丙烯-1,3-磺酸内酯，本发明采用无EC溶剂及1-丙烯-1,3-磺酸内酯相互协同作用，有效的提高了电池在高电压(4.4V)循环稳定性，进而有效提升了电池在高电压下高温及循环性能的稳定性。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无EC的锂离子电池电解液，所述电解液包括电解质锂盐、有机溶剂及添加剂；其中，所述添加剂包括正极添加剂和负极添加剂，所述正极添加剂包括1-丙烯-1,3-磺酸内酯。
本发明通过在电解液中添加1-丙烯-1,3-磺酸内酯对正极界面进行修饰，在一定高电位下氧化生成稳定CEI膜，该层界面膜可以有效将电解液与电极材料界面隔开，进而防止电解液与正极材料接触进一步发生氧化分解。
优选地，所述电解质电解质锂盐包括六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或二氟二草酸磷酸锂中的任意一种或至少两种的组合，优选为六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和二氟二草酸磷酸锂的组合。
优选地，以所述电解液的质量为100％计，所述六氟磷酸锂的质量含量为10～20％，例如：10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等。
优选地，所述双三氟甲基磺酰亚胺锂的质量含量为1.5～3％，例如：1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.7％或3％等。
优选地，所述双氟磺酰亚胺锂的质量含量为1.5～3％，例如：1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.7％或3％等。
优选地，所述二氟磷酸锂的质量含量为0.3～1％，例如：0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等。
优选地，所述二氟草酸硼酸锂的质量含量为1.5～3％，例如：1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.7％或3％等。
优选地，所述二氟二草酸磷酸锂的质量含量为1.5～3％，例如：1.5％、1.6％、1.8％、2％、2.2％、2.4％、2.7％或3％等。
优选地，所述有机溶剂包括碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯或碳酸二甲酯中的任意一种或至少两种的组合，优选为碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的组合。
优选地，以所述电解液的质量为100％计，所述碳酸丙烯酯的质量含量为5～10％，例如：5％、6％、7％、8％、9％或10％等。
优选地，所述氟代碳酸乙烯酯的质量含量为2～10％，例如：2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等。
优选地，所述碳酸甲乙酯的质量含量为40～70％，例如：40％、45％、50％、55％、60％、65％或70％等。
优选地，所述碳酸二乙酯的质量含量为5～15％，例如：5％、6％、8％、10％、12％或15％等。
优选地，所述碳酸二甲酯的质量含量为5～15％，例如：5％、6％、8％、10％、12％或15％等。
本发明采用无碳酸乙烯酯(EC)溶剂，有效提高电解液在高电压下(4.4V)的稳定性，从而提高循环性能，并且避免了三元正极在过充或加热时易释放单质氧进，与EC反应生成H2O2进而恶化电池性能。从而有效提升电性能和安全性能。
优选地，所述正极添加剂还包括亚硫酸丙烯酯、三(三甲基硅烷)亚磷酸酯或丁二腈中的任意一种或至少两种的组合，优选为亚硫酸丙烯酯、三(三甲基硅烷)亚磷酸酯和丁二腈的组合。
优选地，以所述电解液的质量为100％计，所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量含量为1～3％，例如：1％、1.2％、1.5％、2％、2.2％、2.5％、2.7％或3％等。
优选地，所述亚硫酸丙烯酯的质量含量为1～5％，例如：1％、2％、3％、4％或5％等。
优选地，所述三(三甲基硅烷)亚磷酸酯的质量含量为0.5～3％，例如：0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等。
优选地，所述丁二腈的质量含量为0.5～3％，例如：0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等。
优选地，所述负极添加剂包括碳酸亚乙烯酯和/或硫酸乙烯酯，优选为碳酸亚乙烯酯和硫酸乙烯酯。
优选地，所述碳酸亚乙烯酯的质量含量为1～5％，例如：1％、2％、3％、4％或5％等。
优选地，所述硫酸乙烯酯的质量含量为0.5～3％，例如：0.5％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％或3％等。
第二方面，本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包含如第一方面所述的锂离子电池电解液。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过在电解液中添加1-丙烯-1,3-磺酸内酯对正极界面进行修饰，在一定高电位下氧化生成稳定CEI膜，该层界面膜可以有效将电解液与电极材料界面隔开，进而防止电解液与正极材料接触进一步发生氧化分解。
(2)本发明采用无碳酸乙烯酯(EC)溶剂，有效提高电解液在高电压下(4.4V)的稳定性，从而提高循环性能，并且避免了三元正极在过充或加热时易释放单质氧进，与EC反应生成H2O2进而恶化电池性能。从而有效提升电性能和安全性能。
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
本实施例提供了一种无EC的锂离子电池电解液，所述电解液具体制备方法如下：
(1)取5g碳酸丙烯酯、2g氟代碳酸乙烯酯、50g碳酸甲乙酯、10g碳酸二乙酯和10g碳酸二甲酯混合得到有机溶剂；
(2)取10g六氟磷酸锂、1.5g双三氟甲基磺酰亚胺锂、1.5g双氟磺酰亚胺锂、0.5g二氟磷酸锂、1.5g二氟草酸硼酸锂和2g二氟二草酸磷酸锂溶于步骤(1)得到的有机溶剂，得到混合溶液；
(3)取1.5g 1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1g亚硫酸丙烯酯、1g碳酸亚乙烯酯、0.5g三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、0.5g硫酸乙烯酯和0.5g丁二腈溶于步骤(2)得到的混合溶液得到所述锂离子电池电解液。
实施例2
本实施例提供了一种无EC的锂离子电池电解液，所述电解液具体制备方法如下：
(1)取8g碳酸丙烯酯、4g氟代碳酸乙烯酯、40g碳酸甲乙酯、8g碳酸二乙酯和8g碳酸二甲酯混合得到有机溶剂；
(2)取15g六氟磷酸锂、2g双三氟甲基磺酰亚胺锂、2g双氟磺酰亚胺锂、0.8g二氟磷酸锂、2.2g二氟草酸硼酸锂和2g二氟二草酸磷酸锂溶于步骤(1)得到的有机溶剂，得到混合溶液；
(3)取1.8g 1-丙烯-1,3-磺酸内酯、1.5g亚硫酸丙烯酯、1.5g碳酸亚乙烯酯、1.2g三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、1g硫酸乙烯酯和1g丁二腈溶于步骤(2)得到的混合溶液得到所述锂离子电池电解液。
实施例3
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(3)所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量为1g，碳酸丙烯酯的质量为8.5g，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(3)所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量为3g，碳酸丙烯酯的质量为6.5g，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(3)所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量为0.5g，碳酸丙烯酯的质量为9g，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例6
本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(3)所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量为3.5g，碳酸丙烯酯的质量为6g，其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1区别仅在于，步骤(3)不加入1-丙烯-1,3-磺酸内酯，碳酸丙烯酯的质量为9.5g，其他条件与参数与实施例1完全相同。
性能测试：
将实施例1-6和对比例1得到的电解液制成锂离子电池，然后进行常压循环测试及低温放电性能测试：
a)4.4V常温循环测试步骤：
0.5C恒流恒压充电至4.4V,截止电流0.05C,0.5C恒流放电至2.75V，循环500周；
b)低温放电测试步骤：
先常温0.5C恒流恒压充电至4.4V,截止电流0.05C，使电池处于满电状态，然后调节温度至-20℃,再0.5C恒流放电至2.75V；
测试结果如表1所示：
表1各实例循环和低温测试性能
500周容量保持率 -20℃放电容量保持率
实施例1 93％ 80％
实施例2 88％ 77％
实施例3 95％ 82％
实施例4 98％ 85％
实施例5 75％ 70％
实施例6 78％ 72％
对比例1 40％ 56％
由表1可以看出，使用本发明所述无EC的锂离子电池电解液制备的锂离子电池的500周容量保持率可达75％以上，通过调整1-丙烯-1,3-磺酸内酯含量后可达98％，-20℃放电容量保持率可达70％以上，通过调节1-丙烯-1,3-磺酸内酯含量后可达85％。
由实施例1和实施例3-6对比可得，本发明所述锂离子电池电解液中1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量含量应在1～3％，若低于1％，无法完全对正极界面进行修饰，形成稳定的CEI膜，若高于3％，则形成的CEI膜过厚，进而影响电池性能。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (21)

1.一种无EC的锂离子电池电解液，其特征在于，所述电解液包括电解质锂盐、有机溶剂及添加剂；
其中，所述添加剂包括正极添加剂和负极添加剂，所述正极添加剂包括1-丙烯-1,3-磺酸内酯，所述负极添加剂包括碳酸亚乙烯酯和硫酸乙烯酯，以所述电解液的总质量为100%计，所述1-丙烯-1,3-磺酸内酯的质量含量为1~3%，所述碳酸亚乙烯酯的质量含量为1~5%，所述硫酸乙烯酯的质量含量为0.5~3%，所述正极添加剂还包括亚硫酸丙烯酯、三（三甲基硅烷）亚磷酸酯或丁二腈中的任意一种或至少两种的组合。
2.如权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述电解质锂盐包括六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂或二氟二草酸磷酸锂中的任意一种或至少两种的组合。
3.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述电解质锂盐包括六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂和二氟二草酸磷酸锂的组合。
4.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述六氟磷酸锂的质量含量为10~20%。
5.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述双三氟甲基磺酰亚胺锂的质量含量为1.5~3%。
6.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述双氟磺酰亚胺锂的质量含量为1.5~3%。
7.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述二氟磷酸锂的质量含量为0.3~1%。
8.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述二氟草酸硼酸锂的质量含量为1.5~3%。
9.如权利要求2所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述二氟二草酸磷酸锂的质量含量为1.5~3%。
10.如权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂包括碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯或碳酸二甲酯中的任意一种或至少两种的组合。
11.如权利要求10所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂包括碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的组合。
12.如权利要求11所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述碳酸丙烯酯的质量含量为5~10%。
13.如权利要求11所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述氟代碳酸乙烯酯的质量含量为2~10%。
14.如权利要求11所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述碳酸甲乙酯的质量含量为40~70%。
15.如权利要求11所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述碳酸二乙酯的质量含量为5~15%。
16.如权利要求11所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述碳酸二甲酯的质量含量为5~15%。
17.如权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述正极添加剂还包括亚硫酸丙烯酯、三（三甲基硅烷）亚磷酸酯和丁二腈的组合。
18.如权利要求17所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述亚硫酸丙烯酯的质量含量为1~5%。
19.如权利要求17所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述三（三甲基硅烷）亚磷酸酯的质量含量为0.5~3%。
20.如权利要求17所述的锂离子电池电解液，其特征在于，以所述电解液的总质量为100%计，所述丁二腈的质量含量为0.5~3%。
21.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含如权利要求1-20任一项所述的锂离子电池电解液。
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