CN112670573B - 锂离子电解液和锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电解液和锂离子电池，该锂离子电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，所述添加剂包括2‑二氰基乙烯基‑4‑乙烯基‑1,3‑二氧戊环(DCKVEA)和丙酮二甲腙，所述2‑二氰基乙烯基‑4‑乙烯基‑1,3‑二氧戊环的结构式为
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电解液和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因其比能量高、电池电压高、工作温度范围宽、储存寿命长、无记忆效应、自放电率小、可快速充放电等优点而迅速发展起来，目前，锂离子电池已经广泛应用手机、笔记本电脑、数码相机等电子产品中，还作为动力型电池逐渐在电动自行车、航模、电动汽车上得到广泛使用。随着锂离子电池的广泛应用，其高温性能和安全性能成为锂离子电池的一种重要指标。
锂离子电池的稳定性受到诸多因素的影响，其中，电解液作为锂离子电池的重要组成部分，对其环境适应性和安全性能有着重大影响，比如高温下持续充电的性能。因此，探索电解液的组成具有重大的工业价值。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种锂离子电解液和锂离子电池，使用该锂离子电解液能够有效地改善锂离子电池的高温持续充电性能。
本发明的第一方面，提供一种锂离子电解液，包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，所述添加剂包括2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环(DCKVEA)和丙酮二甲腙，所述2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环的结构式为基于所述锂离子电解液的质量，所述2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环的质量百分含量为0.05～10％，所述丙酮二甲腙的质量百分含量为0.01～5％。其中，丙酮二甲腙的结构式为
根据本发明实施例的锂离子电解液，至少具有如下有益效果：
本发明实施例提供的锂离子电解液，同时添加有2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环和丙酮二甲腙，两者配合使用形成的电解液能够在正负极都形成稳定的钝化膜，减少活性位点的暴露，同时络合金属离子，在高压高温下稳定体系，保障电池性能，能够有效地改善锂离子电池的高温持续充电性能。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，基于所述锂离子电解液的质量，所述2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环的质量百分含量为0.1～5％。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，基于所述锂离子电解液的质量，所述丙酮二甲腙的质量百分含量为0.1～2％。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、四氢呋喃中的至少两种。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，所述电解质锂盐选自有机锂盐和无机锂盐中的至少一种。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，所述电解质锂盐含有氟元素。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，所述电解质锂盐选自六氟磷酸盐，六氟砷酸盐、高氯酸盐、三氟磺酰锂、二氟(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂中至少一种。
根据本发明的一些实施例的锂离子电解液，所述电解质锂盐的浓度为0.5M～2M；锂盐浓度过低，电解液的电导率低，会影响整体电池体系的倍率和和循环性能；锂盐浓度过高，电解液粘度过大，同样影响整个电池体系的倍率。优选地，所述电解质锂盐的浓度为0.9％～1.3M。
本发明的第二方面，提供一种锂离子电池，包括正极、负极和上述的锂离子电解液。
锂离子电池的结构可以例举的有，包括正极片、负极片、锂电池隔膜和电解液，正极片包括正极集流体和位于所述正极集流体上的正极活性浆料层，其中，所述正极活性浆料层包括正极活性材料；所述负极片包括负极集流体和位于所述负极集流体上的负极活性浆料层，其中，所述负极活性浆料层包括负极活性材料。其中，正极活性材料、正极粘结剂、负极活性材料的具体种类均不受到具体的限制，可根据需求进行选择。
根据本发明的一些实施例的锂离子电池，所述正极的正极活性材料选自钴酸锂、锂镍锰钴三元材料、磷酸亚铁锂、锰酸锂中的一种或多种。
优选地，所述负极的负极活性材料选自天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的锂化TiO2-Li4Ti5O12、Li-Al合金中的任一种。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
DCKVEA的制备：选取3.0mol的TCNE(四氰基乙烯)、2.0mol的尿素以及18mol的3，4-二羟基一1-丁烯混合，边搅拌边加热至100℃，保温1h，得到褐色溶液，不断加入冷水和二氯甲烷使其冷却，将二氯甲烷萃取出来，然后在40℃真空烘箱中烘12h，可得到产物DCKVEA。
电解液的制备：取EC(碳酸乙烯酯)、DEC(碳酸二乙酯)和PC(碳酸丙烯酯)以1:1:1的质量比混合，配置形成有机溶剂。在该有机溶剂中加入表1中的添加剂，混合均匀后加入LiPF6，得到LiPF6浓度为1.1mol/L的混合溶液，即为电解液L1#～L10#。表1中添加剂的含量为占电解液的质量百分含量，DCKVEA为2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环。
表1不同电解液样品添加剂的组成和含量
电池的制备
正极片的制备：将正极活性物质钴酸锂(LiCoO2)、导电剂CNT，粘结剂聚偏二氟乙烯按重量为97:1.5:1.5在N-甲基吡咯烷酮溶剂中充分搅拌混合，使其形成均匀的正极浆料。将此浆料涂覆于正极集流体Al箔上，烘干，冷压，得到正极片。
负极片的制备：将负极活性物质石墨，导电剂乙炔黑，粘结剂丁苯橡胶，增稠剂羧甲基纤维素钠按质量比95:2:2:1在适量的去离子水溶剂中充分搅拌混合，使其形成均匀的负极浆料。将此浆料涂覆于负极集流体Cu箔上，烘干，冷压，得到负极片。
锂离子电池的制备：将正极极片、隔离膜以及负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正负极中间，起到隔离作用，然后卷绕能到裸电芯。将裸电芯至于外包装袋中，分别将表1中的电解液L1#～L10#注入干燥后的电池中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，完成锂离子电池的制备，依次得到锂离子电池C1#～C10#。
对制备得到的锂离子电池C1#～C10#进行高温持续充电测试，具体测试方法为：室温下测试电芯厚度，在55±2度搁置2小时后按照标准充电方式充至4.5V电，不设置截止电流，分别在6天，12天，18天取出测试热态厚度。为安全起见，中途厚度超50％或者电池明显析锂出现麻点需取出高温箱停止测试。电芯膨胀率＝(持续充电热态厚度-入箱前厚度)/(入箱前厚度)*100％。测试结果如表2所示。
表2锂离子电池C1#～C10#持续充电测试结果
结合表1和表2可以看出，相较于对比例C1#，对比例C2#单独加入11％DCKVEA后，电池的胀气有所改善，但电池持续充电6天后就出现因电解液耗尽出现析锂麻点的现象。当同时添加0.01～5％丙酮二甲腙和0.05～10％DCKVEA后，电解液胀气情况和电芯表面麻点均有所改善，当添加0.1～2％丙酮二甲腙和0.1～5％DCKVEA时形成的锂离子电池的性能更优异。但是当电解液中DCKVEA超过10％或者丙酮二甲腙含量增至6％时，电池表面麻点非但没改善，甚至还恶化，特别是电解液中添加11％DCKVEA和6％丙酮二甲腙的对比例C5#，其电池仅测试3天就出现麻点。这是因为DCKVEA和丙酮二甲腙均能在正负极成膜，且DCKVEA能络合过渡金属离子，对正负极起到保护作用，从而阻止体系产气，但当两者含量过高时，均会因阻抗较大导致电解液消耗过快，界面出现死区，麻点凸现。实验结果表明，当同时添加DCKVEA和丙酮二甲腙并控制其添加量时，能够改善形成的锂离子电池的高温持续充电性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种锂离子电解液，其特征在于，包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，所述添加剂包括2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环和丙酮二甲腙，所述2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环的结构式为，基于所述锂离子电解液的质量，所述2-二氰基乙烯基-4-乙烯基-1,3-二氧戊环的质量百分含量为0.1~5%，所述丙酮二甲腙的质量百分含量为1~2%。
2.根据权利要求1所述的锂离子电解液，其特征在于，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、四氢呋喃中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电解液，其特征在于，所述电解质锂盐选自有机锂盐和无机锂盐中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的锂离子电解液，其特征在于，所述电解质锂盐含有氟元素。
5.根据权利要求4所述的锂离子电解液，其特征在于，所述电解质锂盐选自六氟磷酸盐，六氟砷酸盐、高氯酸盐、三氟磺酰锂、二氟（三氟甲基磺酰）亚胺锂、双（氟磺酰）亚胺锂、三（三氟甲基磺酰）甲基锂中至少一种。
6.根据权利要求1所述的锂离子电解液，其特征在于，所述电解质锂盐的浓度为0.5M~2M。
7.根据权利要求1所述的锂离子电解液，其特征在于，所述电解质锂盐的浓度为1.0~1.3M。
8.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极和权利要求1至7任一项所述的锂离子电解液。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极的正极活性材料选自钴酸锂、锂镍锰钴三元材料、磷酸亚铁锂、锰酸锂中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极的负极活性材料选自天然石墨、人造石墨、硅、硅-碳复合物、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的锂化TiO2-Li4Ti5O12、Li-Al合金中的任一种。
11.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极的负极活性材料选自中间相碳微球、硬碳、软碳中的任一种。
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| Comparative investigation of solid electrolyte interphases created by the electrolyte additives vinyl ethylene carbonate and dicyano ketene vinyl ethylene acetal;Coralie Forestier et al.;Journal of Power Sources;第345卷;212-220 * |
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