CN113540568B - 一种电解液及高容量锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电解液及高容量锂离子电池，该电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂，有机溶剂包括碳酸酯类和羧酸酯类，锂盐包括六氟磷酸锂，添加剂包括润湿添加剂和成膜添加剂。本发明当中的电解液与普通电解液相比，通过在电解液当中加入润湿添加剂，使电解液的润湿性能好，提高了电解液在极片正负极颗粒材料表面的附着性和沉积量，提高了电解液在颗粒材料空隙间的扩散性能，实现了锂离子在正负极间的快速有效传输，从而提高了锂电池的容量发挥性能；同时，电解液中复合添加剂的加入，可以在正负极材料表面形成一层致密均匀且稳定的界面膜，减少了正负极材料表面的电化学活性位点，抑制了副反应发生，提高了锂电池的循环寿命。

Description

一种电解液及高容量锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电解液及高容量锂离子电池。
背景技术
对比铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池，锂离子电池具有高能量密度、高电压、长寿命、自放电率低、无记忆效应、环境友好等优点，目前，市场上锂离子电池作为移动便携电源的应用越来越广，比如3C产品、无人机、电动工具、UPS、电动自行车和电动汽车等等，范围覆盖了陆海空领域。而作为移动电源，消费者希望电池能长时间提供能量，因此，开发高容量、长循环寿命锂电池成为相关技术人员面临的重要课题之一。
电池容量的提升一般有以下几种方式：一、正负极活性材料的性能改进，如材料颗粒纳米化、掺杂改性、包覆等；二、提到电池极片的压实密度；三、电池结构设计的改进，以提供更多的空间给活性材料，如降低集流体和隔膜的厚度等。
综合的结果是，电池容量的提升从一定程度上带来了电池内部材料密度的提升，导致锂电池内部电解液的储存空间降低，尤其是对于纳米化正负极材料或者高压实体系，极片颗粒间孔隙减小，电解液难于到达，造成锂离子传输困难，限制了锂电池的容量发挥，给电解液带来了新的压力和挑战。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种电解液及含有该电解液的高容量锂离子电池，以解决现有高容量电池存在锂离子传输困难的技术问题。
根据本发明实施例当中的一种电解液，包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸酯类和羧酸酯类，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括润湿添加剂和成膜添加剂。
优选地，所述润湿添加剂包括乙酰肼、苯磺酰肼和对甲基苯磺酰肼中的一种或几种。
优选地，所述润湿添加剂的重量百分比为0.1-1％。
优选地，所述成膜添加剂包括亚硫酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代磺酰亚胺锂和二氟草酸硼酸锂中的一种或几种。
优选地，所述成膜添加剂的重量百分比为2-6％。
优选地，所述碳酸酯类包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯中的一种或多种，所述羧酸酯类包括乙酸乙酯、乙酸丙酯、碳酸丙烯酯中的一种或多种。
优选地，所述有机溶剂的重量百分比为75-88％。
优选地，所述六氟磷酸锂的重量百分比为5-20％。
一种高容量锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述电解液为上述的电解液。
优选地，所述正极片的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，所述负极片的材料为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
与现有技术相比：通过在电解液当中加入润湿添加剂，使电解液的润湿性能好，提高了电解液在极片正负极颗粒材料表面的附着性和沉积量，提高了电解液在颗粒材料空隙间的扩散性能，实现了锂离子在正负极间的快速有效传输，从而提高了锂电池的容量发挥性能；同时，电解液中复合添加剂的加入，可以在正负极材料表面形成一层致密均匀且稳定的界面膜，减少了正负极材料表面的电化学活性位点，抑制了电解液的分解、金属溶解等副反应，提高了锂电池的循环寿命。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
此外，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的一者”意味着仅A或仅B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者”意味着仅A；仅B；或仅C。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”或“A或B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
本发明一方面针对目前电池容量的提升从一定程度上带来了电池内部材料密度的提升，导致锂电池内部电解液的储存空间降低，尤其是对于纳米化正负极材料或者高压实体系，极片颗粒间孔隙减小，电解液难于到达，造成锂离子传输困难，限制了锂电池的容量发挥的问题，提出了一种电解液及含有该电解液的高容量锂离子电池，其中，该电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸酯类和羧酸酯类，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括润湿添加剂和成膜添加剂。
本发明实施例当中的电解液，与现有普通电解液相比，通过在电解液当中加入润湿添加剂，使电解液的润湿性能好，提高了电解液在极片正负极颗粒材料表面的附着性和沉积量，提高了电解液在颗粒材料空隙间的扩散性能，实现了锂离子在正负极间的快速有效传输，从而提高了锂电池的容量发挥性能；同时，电解液中复合添加剂的加入，可以在正负极材料表面形成一层致密均匀且稳定的界面膜，减少了正负极材料表面的电化学活性位点，抑制了电解液的分解、金属溶解等副反应，提高了锂电池的循环寿命。
在本发明一些实施例当中，所述润湿添加剂具体可以包括乙酰肼、苯磺酰肼和对甲基苯磺酰肼中的一种或几种，即从乙酰肼、苯磺酰肼和对甲基苯磺酰肼当中选取一种或几种添加到电解液当中。在具体选择时，所述润湿添加剂优选的重量百分比为0.1-1％，例如为0.1％、0.2％、0.4％、0.5％、0.8％、1％等。
在本发明一些实施例当中，所述成膜添加剂包括亚硫酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代磺酰亚胺锂和二氟草酸硼酸锂中的一种或几种。即从亚硫酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代磺酰亚胺锂和二氟草酸硼酸锂当中选取一种或几种添加到电解液当中。在具体选择时，成膜添加剂的重量百分比优选为2-6％，例如为2％、3.3％、4％等。
在本发明一些实施例当中，碳酸酯类包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯中的一种或多种，羧酸酯类包括乙酸乙酯、乙酸丙酯、碳酸丙烯酯中的一种或多种。在具体选择时，有机溶剂的重量百分比优选为75-88％，例如为75％、83.5％、88％等。
在本发明一些实施例当中，所述六氟磷酸锂(LiPF6)的重量百分比为5-20％，例如为10％、12％、13％、15％等。在其他例当中，六氟磷酸锂还可以由六氟砷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂或其组合物来代替。
本发明的电解液的制备过程为：在手套箱中，将电解液所用的有机溶剂按对应比例混合，之后按比例加入呈固体粉末的锂盐LiPF6，待固体锂盐全部溶解后，再按对应比例加入各添加剂，混合均匀即得电解液。
本发明另一方面还提出一种高容量锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述电解液为本发明任一实施例当中的电解液。在具体实施时，正极片的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，负极片的材料为活性材料，具体为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
本发明的高容量锂离子电池的制备过程为：先通过制浆、涂布、辊压、分切、卷绕、焊接、真空烘烤、封装得到待注液电芯，待注液电芯包含了正极片、负极片和隔膜，将上述配制好的电解液注入到待注液电芯中，经过搁置、化成，即制得高容量锂离子电池。
为了便于理解本发明，下面将给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例1～15
本发明实施例1～15当中的电解液按下表1所示的组分及其比例进行混合制备得到，其中表1所示的数值的单位为％，代表对应组分在电解液当中的重量百分比，例如实施例1当中的电解液，其有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯，碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸丙烯酯的重量百分比分别为25％、35％、13.5％和10％；锂盐包括六氟磷酸锂，其重量百分比为13％；润湿添加剂包括乙酰肼，其重量百分比为0.2％；成膜添加剂包括二氟草酸硼酸锂、亚硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和碳酸乙烯亚乙酯，二氟草酸硼酸锂、亚硫酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和碳酸乙烯亚乙酯的重量百分比分别为0.2％、0.5％、1％和1.6％。
此外，为了方便理解本发明方案的优越性，还设置了5个对比例(制备普通电解液)，即对比例1-5，对比例1-5当中的普通电解液同样按下表1所示的组分及其比例进行混合制备得到。
表1：
Figure BDA0003158458260000051
Figure BDA0003158458260000061
在实际应用当中，分别利用本发明上述实施例1-15、及对比例1-5对应制备得到的电解液来制备高容量锂离子电池，并对制备好的高容量锂离子电池进行室温1C倍率放电和循环寿命测试，得出活性材料克容量发挥和循环后容量剩余率，测试数据如下表2所示。需要说明的是，为了客观验证电解液的优越性，本发明上述实施例1-15、及对比例1-5对应制备得到的高容量锂离子电池除电解液不同之外、其它都应当相同，例如正极片材料统一选用小粒径包覆型钴酸锂材料，压实为4.2g/cm3，负极片材料统一选用天然石墨，压实为1.65g/cm3，制备高容量锂离子电池的工序也最好保持相同。
表2：
Figure BDA0003158458260000062
Figure BDA0003158458260000071
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，本发明实施例制备的电解液与普通电解液相比，能明显提高锂电池容量发挥和提高锂离子电池的循环寿命，能够更好的满足当下和未来锂离子电池市场的需求，具有更好的市场竞争力。
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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电解液，其特征在于，包括有机溶剂、锂盐和添加剂，所述有机溶剂包括碳酸酯类和羧酸酯类，所述锂盐包括六氟磷酸锂，所述添加剂包括润湿添加剂和成膜添加剂，所述润湿添加剂包括乙酰肼、苯磺酰肼和对甲基苯磺酰肼中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述润湿添加剂的重量百分比为0.1-1％。
3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述成膜添加剂包括亚硫酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯、双氟代磺酰亚胺锂和二氟草酸硼酸锂中的一种或几种。
4.根据权利要求1或3所述的电解液，其特征在于，所述成膜添加剂的重量百分比为2-6％。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述碳酸酯类包括碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯中的一种或多种，所述羧酸酯类包括乙酸乙酯和乙酸丙酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1或5所述的电解液，其特征在于，所述有机溶剂的重量百分比为75-88％。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述六氟磷酸锂的重量百分比为5-20％。
8.一种高容量锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，其特征在于，所述电解液为权利要求1-7任一项所述的电解液。
9.根据权利要求8所述的高容量锂离子电池，其特征在于，所述正极片的材料为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂，所述负极片的材料为人造石墨、天然石墨或复合物石墨。
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