CN113161544A - 一种二次电池电解液以及电池负极和电化学储能器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二次电池以及电化学储能器件，所述二次电池包括正极、负极和电解液，所述负极的材料为石墨，石墨的一次颗粒直径小于1μm，所述电解液中溶剂为含有碳酸丙烯酯的非水性有机溶剂；本发明的二次电池具有良好的常温循环性能、高温循环性能和良好的低温放电性能。

Description

一种二次电池电解液以及电池负极和电化学储能器件
技术领域
本发明属于二次电池技术领域，涉及一种二次电池电解液以及电池负极和电化学储能器件。
背景技术
近年来，碳作为二次电池的负极材料引起了广泛的关注。不同类型碳的电化学性能差异较大，其中石墨由于具有高的主体容量和低的电极电势(0.01～0.2V)而被认为是比较合适的负极材料，但还存在一些难以克服的弱点，开发性能更为优良的负极材料仍然是二次电池研究的重要课题。二次电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂、添加剂混合制成糊状胶合物均匀涂覆在铜箔上，经干燥、滚压而成，负极材料的选择直接影响二次电池的性能。
天然石墨虽有较高的比容量，压实密度，然而，天然石墨规则的层状结构导致了其较高的各向异性，且易于与电解液发生反应尤其与低温性能良好的碳酸丙烯酯基电解液不兼容，使得溶剂分子共嵌入而造成石墨层的剥离，电池的可逆容量降低，电池的循环性能下降。而石墨类材料之一人造石墨由于具有牢固的结构稳定性，优良的嵌锂特性，以及长循环寿命，优异极片加工性能等优点得到业内的广泛肯定和使用。但同时其存在容量偏低、压实密度偏低等缺点，限制了其在二次电池负极材料中的广泛应用。
因此，在本领域，期望开发一种可以解决上述石墨与电解液溶剂不兼容的问题从而提高电池的循环寿命和电化学性能的二次电池。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二次电池以及电化学储能器件。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种二次电池，所述二次电池包括正极、负极和电解液，所述负极的材料为石墨，石墨的一次颗粒直径小于1μm，所述电解液中溶剂为含有碳酸丙烯酯(PC)的非水性有机溶剂。
在本发明中，所述二次电池的负极材料石墨的一次颗粒直径小于1μm，配合含有碳酸丙烯酯的非水性有机溶剂的电解液，能够使得二次电池负极可以与含有碳酸丙烯酯的电解液相互兼容，从而达到延长二次电池寿命和改善低温性能的目的。在本发明中，当负极材料石墨的一次颗粒直径大于1μm时，其不能与含有碳酸丙烯酯的非水性有机溶剂的电解液兼容，当负极材料石墨的一次颗粒直径等于1μm时，可以达到部分兼容，但是也会导致其电池性能不良。
在本发明中，所述石墨的一次颗粒直径小于1μm，例如0.9μm、0.8μm、0.7μm、0.6μm、0.5μm、0.4μm、0.3μm、0.2μm、0.1μm。
优选地，所述石墨包括天然石墨和/或人造石墨。
优选地，以电解液的总质量为100％计，所述碳酸丙烯酯的质量百分含量为5wt％～90wt％，例如5wt％、10wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、70wt％、80wt％或90wt％。
优选地，所述溶剂还包括其他碳酸酯、羧酸酯或丙酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述其他碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯或碳酸甲乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述述羧酸酯为丁酸丙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、丙酸丁酯、丙酸异丙酯或丁酸乙酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述丙酸酯为丙酸甲酯(EM)、丙酸乙酯(EP)或丙酸丙酯(PP)中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，以电解液的总质量为100％计，所述溶剂的质量百分含量为75-90％，例如75％、78％、80％、82％、85％、88％或90％。
优选地，所述电解液中还包括添加剂，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯(VC)、硫酸乙烯酯(DTD)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)或1,3-丙磺酸内脂(PS)中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，以电解液的总质量为100％计，所述添加剂的质量百分含量为1-5％，例如1％、1.3％、1.5％、1.8％、2％、2.3％、2.5％、2.8％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％。
优选地，所述电解液中电解质为金属盐或碱金属盐，优选锂盐、钠盐、钾盐或镁盐中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述锂盐为LiPF6。
优选地，所述以电解液的总质量为100％计，所述电解质的质量百分含量为10-20％，例如10％、12％、15％、18％或20％。
优选地，所述二次电池为硫基锂电池或金属离子电池。
优选地，所述金属离子电池包括钾离子电池、钠离子电池、镁离子电池或锂离子电池。
另一方面，本发明提供一种电化学储能器件，所述电化学储能器件包括如上所述的二次电池。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所述二次电池的负极材料石墨的一次颗粒直径小于1μm，配合含有碳酸丙烯酯的非水性有机溶剂的电解液，能够使得二次电池负极可以与含有碳酸丙烯酯的电解液相互兼容，从而达到延长二次电池寿命和改善低温性能的目的，本发明的二次电池具有良好的常温循环性能、高温循环性能和良好的低温放电性能。
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。
本发明的实施例中正极采用粘结剂PVDF-5130、复合导电剂Super-P/KS-6(质量比Super-P：KS-6＝2：1)、523镍钴锰三元正极材料、溶剂NMP(N-methyl-2-pyrrolidone，N-甲基吡咯烷酮)，负极采用粒径不同人造石墨或者天然石墨、导电剂Super-P溶剂CMC、H2O、粘结剂SBR为原材料，分别采用湿法制浆工艺制备浆料，正极调节黏度10000Pa·s，负极调节黏度2500mPa·s，设计N/P比为1.12，容量为1617mAh，通过涂布、切片、辊压、分条、正极110℃干燥8h，负极140℃干燥8h、贴胶带、卷电芯、100℃干燥48h，然后按着下述不同含量碳酸丙烯酯的电解液配方对锂离子电池注液封口、搁置24h、化成、一次终封、老化、二次终封制备出锂离子软包电池，然后对电池进行低温放电和循环测试。
具体实施例以及对比例的锂离子二次电池如下：
对比例1
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例1所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。。
对比例2
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/人造石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例2所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
对比例3
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例3所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
对比例4
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例4所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
对比例5
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例5所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
对比例6
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d＝1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1对比例6所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例1
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/人造石墨电池(一次颗粒直径d>1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1实施例1所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例2
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1实施例2所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例3
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/人造石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1实施例3所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例4
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有表1实施例4所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例5
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/人造石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有有表1实施例5所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例6
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有有表1实施例6所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
实施例7
一种LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/天然石墨电池(一次颗粒直径d<1μm)，包括正极，负极、隔膜，以及电解液，其中所述电解液为非水电解液，且所述非水电解液的总重量为100％，含有有表1实施例7所示质量百分含量的组分以及15％LiPF6盐。
表1
Figure BDA0003101615000000071
Figure BDA0003101615000000081
以523镍钴锰三元材料为正极材料，采用以上实施例和对比例的电解液配方制备的锂离子电池进行常温25℃循环性能、高温45℃循环性能、低温放电性能的测试，测试结果如表2-表4所示。
表2为锂离子电池常温循环性能测试结果
Figure BDA0003101615000000082
表3为锂离子电池高温循环性能测试结果
Figure BDA0003101615000000083
Figure BDA0003101615000000091
表4锂离子电池的低温放电性能
Figure BDA0003101615000000092
Figure BDA0003101615000000101
由表2-表4的结果可以看出，本发明的锂离子二次电池，具有良好的常温循环性能、高温循环性能和良好的低温放电性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的二次电池以及电化学储能器件，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种二次电池，其特征在于，所述二次电池包括正极、负极和电解液，所述负极的材料为石墨，石墨的一次颗粒直径小于1μm，所述电解液中溶剂为含有碳酸丙烯酯的非水性有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述石墨的一次颗粒直径小于1μm；
优选地，所述石墨包括天然石墨和/或人造石墨。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于，以电解液的总质量为100％计，所述碳酸丙烯酯的质量百分含量为5wt％～90wt％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的二次电池，其特征在于，所述溶剂还包括其他碳酸酯、羧酸酯或丙酸酯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述其他碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯或碳酸甲乙酯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述述羧酸酯为丁酸丙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、丙酸丁酯、丙酸异丙酯或丁酸乙酯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述丙酸酯为丙酸甲酯、丙酸乙酯或丙酸丙酯中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的二次电池，其特征在于，以电解液的总质量为100％计，所述溶剂的质量百分含量为75-90％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的二次电池，其特征在于，所述电解液中还包括添加剂，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯或1,3-丙磺酸内脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，以电解液的总质量为100％计，所述添加剂的质量百分含量为1-5％。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的二次电池，其特征在于，所述电解液中电解质为金属盐或碱金属盐，优选锂盐、钠盐、钾盐或镁盐中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述锂盐为LiPF6；
优选地，所述以电解液的总质量为100％计，所述电解质的质量百分含量为10-20％。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池为硫基锂电池或金属离子电池。
9.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，所述金属离子电池包括钾离子电池、钠离子电池、镁离子电池或锂离子电池。
10.一种电化学储能器件，其特征在于，所述电化学储能器件包括如权利要求1-9中任一项所述的二次电池。
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