CN112670584A - 一种安全性能好的电解液、锂离子电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种安全性能好的电解液，包括锂盐和溶剂，锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。本发明的电解液是属于一种阻燃型的浓缩电解质，其具有高度安全和宽温度工作的特点。并且本发明的电解液还具有出色的循环性能，能够在锂金属阳极上形成富LiF固体电解质中间相(SEI)，可以有效地抑制锂的连续生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种安全性能好的电解液、锂离子电池及制备方法。
背景技术
目前锂硫电池由于具有硫资源丰富，环境友好和较高的理论能量密度(2600Wh/kg)的优点而备受关注。然而锂硫电池仍然存在许多棘手的问题，例如电解质易燃烧，多硫化物的穿梭和生长的锂树枝状晶体需要解决。多硫化物溶解到电解质中并穿梭穿过隔板与锂金属阳极反应，导致锂硫电池的容量快速降低从而导致锂硫电池的长期循环稳定性不高。通过物理和化学的作用对锚定多硫物是至关重要的。
通过多年的发展，发现新型隔膜和阴极材料的3D多孔结构能够有效的抑制穿梭效果；紧凑而稳定的富含LiF的固态电解质中间相(SEI)有助于抑制锂树枝状晶体的连续生长此外，LiF具有强大的功能绝缘体(≈10-31S/cm)，可防止电子穿过SEI层并允许锂离子传导[17-19]。因此，富含LiF的SEI具有极好的优点，可以在电沉积过程中增强锂离子的表面扩散，并诱导出均匀且无枝晶的锂金属电极。然而在所有的问题中，安全问题是商业化运用考虑最多的问题。目前，广泛使用的锂硫电池的电解质主要由1,3-二氧戊环组成(DOL)和1,2-二甲氧基甲烷(DME)。但是，相对较低沸点(DOL为75℃，DME为42℃)可能会导致电池故障或危险的安全事件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安全性能高，并且使得锂离子电池循环性能好的特别适用于锂硫电池的电解液及制备方法，并且本发明还提供一种锂硫电池及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种安全性能好的电解液，包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。
上述的安全性能好的电解液的制备方法，优选的，包括以下步骤：1)将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L；2)将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6-8mol/L；
3)将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1-1：3的比例混合混匀。
一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯上含有电解液；所述电芯包括正极、隔膜和负极，所述隔膜将正极和负极隔开；所述电解液包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。
上述的锂离子电池的制备方法，优选的，包括以下步骤：1)电解液的制备：
①将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L；
②将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6-8mol/L；
③将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1-1：3的比例混合混匀，得到电解液备用。
2)正极的制备；
3)负极的制备：
①将正极活性材料、负极导电剂和负极粘合剂在去离子水中搅拌均匀得到负极浆料；
②将负极浆料均匀的涂覆在负极集流体上；
③将步骤②得到的负极集流体在80-100摄氏度的温度下干燥10小时以上；得到负极；
4)将得到的电解液、正极、负极和隔膜一起组装形成锂离子电池。
上述的锂离子电池的制备方法，优选的，所述步骤2)中正极的制备包括以下步骤：
①将1重量份的聚丙烯腈和2-4重量份的硫混合均匀；
②在氮气的气氛保护下加热4小时以上，加热温度为300-400摄氏度；得到正极活性材料；
③将步骤②得到的正极活性材料、正极导电剂和正极粘合剂混合均匀；得到正极浆料；
④将正极浆料均匀的涂覆在正极集流体上，然后在60-100摄氏度的温度下干燥10小时以上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电解液是属于一种阻燃型的浓缩电解质，其具有高度安全和宽温度工作的特点。并且本发明的电解液还具有出色的循环性能，能够在锂金属阳极上形成富LiF固体电解质中间相(SEI)，可以有效地抑制锂的连续生长。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
一种安全性能好的电解液，包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。这种电解液的制备方法包括以下步骤：1)将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为1mol/L；
2)将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯(FEC)混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6.5mol/L；
3)将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1的比例混合混匀。
为了进一步将双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂纯化，在使用前，先将其放置在140℃的真空烘箱中过夜。
本实施例还提供一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯上含有电解液；所述电芯包括正极、隔膜和负极，所述隔膜将正极和负极隔开；所述电解液包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。
本实施例的锂离子电池的制备方法，包括以下步骤：1)电解液的制备：
①将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L；
②将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6-8mol/L；
③将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1-1：3的比例混合混匀，得到电解液备用。
2)正极的制备；
3)负极的制备：
①将正极活性材料、负极导电剂和负极粘合剂在去离子水中搅拌均匀得到负极浆料；
②将负极浆料均匀的涂覆在负极集流体上；
③将步骤②得到的负极集流体在80-100摄氏度的温度下干燥10小时以上；得到负极；
4)将得到的电解液、正极、负极和隔膜一起组装形成锂离子电池。
本实施例中，步骤2)中正极的制备包括以下步骤：
①将1重量份的聚丙烯腈(PAN)和3重量份的硫混合均匀；
②在氮气的气氛保护下加热4小时以上，加热温度为360摄氏度；得到正极活性材料；
③将步骤②得到的正极活性材料、正极导电剂和正极粘合剂混合均匀；得到正极浆料；
④将正极浆料均匀的涂覆在正极集流体上，然后在80摄氏度的温度下干燥10小时以上。
在本实施例中，当双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)的浓度增加到6.5mol/L时，在电解液中形成Li+协调的碳酸氟亚乙酯，这个时候在电解液中就有足够的碳酸氟亚乙酯，多余的碳酸氟亚乙酯可以代替双(三氟甲磺酰基)酰亚胺离子的边界，形成溶剂分离的离子对；大多数FEC溶剂被协调与Li+形成Li+-TFSI-溶剂的溶剂化结构。在双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)的浓度为6.5mol/L的时候，在电解液中基本不存在易燃的FEC；从而提高了电解液的安全性能，使得电解液可以在高温的环境下使用。
本实施例的电解质中，当双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)在碳酸氟亚乙酯(FEC)的浓度为6.5mol/L的时候，电池表现出高放电比电容，在本实施例中，电池的放电比电容达到843.5mAh/g；并且电池的循环性能也相当出色，在100次循环后，容量保持率达到93.6％。
由于本实施例中电解质出色的阻燃性能，使得本实施例的锂硫电池可以在-15℃到80℃的温度下使用；同时，本实施例的阻燃浓缩电解质有利于生成坚固的富LiF的SEI，这样就能够抑制硫化物在电解液和隔膜上的穿梭；可以实现稳定的锂电镀/剥离并抑制在长期循环中连续生成锂树枝状晶体。
Claims (5)
1.一种安全性能好的电解液，其特征在于：包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。
2.一种权利要求1所述的安全性能好的电解液的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L；
2)将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6-8mol/L；
3)将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1-1：3的比例混合混匀。
3.一种锂离子电池，其特征在于：包括电芯，所述电芯上含有电解液；所述电芯包括正极、隔膜和负极，所述隔膜将正极和负极隔开；所述电解液包括锂盐和溶剂，所述锂盐包括二氟草酸硼酸锂和双三氟甲磺酰基酰亚胺锂；所述溶剂包括碳酸亚丙酯和碳酸氟亚乙酯。
4.一种如权利要求3所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)电解液的制备：
①将二氟草酸硼酸锂与碳酸亚丙酯混合后形成混合溶液I，混合溶液I中二氟草酸硼酸锂的浓度为0.5-1.5mol/L；
②将双三氟甲磺酰基酰亚胺锂和碳酸氟亚乙酯混合均匀后形成混合溶液II，混合溶液II中双三氟甲磺酰基酰亚胺锂的浓度为6-8mol/L；
③将混合溶液I和混合溶液II按照体积比1：1-1：3的比例混合混匀，得到电解液备用。
2)正极的制备；
3)负极的制备：
①将正极活性材料、负极导电剂和负极粘合剂在去离子水中搅拌均匀得到负极浆料；
②将负极浆料均匀的涂覆在负极集流体上；
③将步骤②得到的负极集流体在80-100摄氏度的温度下干燥10小时以上；得到负极；
4)将得到的电解液、正极、负极和隔膜一起组装形成锂离子电池。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中正极的制备包括以下步骤：
①将1重量份的聚丙烯腈和2-4重量份的硫混合均匀；
②在氮气的气氛保护下加热4小时以上，加热温度为300-400摄氏度；得到正极活性材料；
③将步骤②得到的正极活性材料、正极导电剂和正极粘合剂混合均匀；得到正极浆料；
④将正极浆料均匀的涂覆在正极集流体上，然后在60-100摄氏度的温度下干燥10小时以上。
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