CN113991181B - 一种适用于无人机锂电池的高倍率型电解液 - Google Patents

一种适用于无人机锂电池的高倍率型电解液 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于无人机锂电池的高倍率型电解液，包括锂盐和有机溶剂及功能型添加剂。有机溶剂为常见的碳酸酯类溶剂和线性羧酸酯，包含了碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、丙酸乙酯、乙酸甲酯和γ‑丁内酯。锂盐为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂。添加剂为碳酸亚乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯、二甘醇二苯甲酸酯。本发明采用碳酸乙烯酯基溶剂和碳酸丙烯酯基溶剂混合搭配的方法，优化电解液溶剂组成，增加锂离子的溶剂化作用，并通过使用添加剂极大降低了电解液在电极材料表面形成的固体电解质界面的阻抗，更适合电池大倍率充放电。

Description

一种适用于无人机锂电池的高倍率型电解液
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种适用于无人机的高倍率电解液。
背景技术
近年来，随着无人机应用领域的拓宽和市场份额的不断增长，无人机行业也受到了越来越多的关注，被形容为“下一个蓝海市场”，而动力系统作为无人机的“心脏”，也将面临更高的挑战。锂离子电池作为一种新型的二次电池，由于其高能量密度，工作电压高、无记忆效应，非常适合作为无人机动力系统，开发大功率快速放电的锂离子电池，也已成为无人机行业发展的必然趋势。
电解液是是锂离子二次电池的重要组成部分，承担着正负极电荷传输的功能，它对电池的容量、倍率性能、循环效率、工作温度、范围和安全性能起着至关重要的作用。锂离子电池大倍率充电时，负极将出现金属锂析出与沉积，并进一步消耗大量电解液，同时使SEI膜厚度进一步增加，导致表面膜的阻抗增加。锂离子电池在大倍率放电时，电池极化急剧增加，放电平台降低，放电容量减小，甚至会出现安全问题。针对高倍率充放电造成的各种问题，现在有的解决技术主要有两个：一是合理搭配有机溶剂，降低电解液黏度，增加锂离子电导率；另一方面是在电解液中加入成膜添加剂，形成致密的SEI膜，降低电解液/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗。
目前市面上大部分动力电池电解液不能形成稳定的固体电解质，在电池使用过程中随着溶剂化的锂离子一起嵌入到石墨层间，发生分解，使石墨剥离，导致性能下降。中国专利公布号CN 1925206A，名称为一种动力型锂离子电池用电解液，该发明专利通过选择碳酸脂溶剂加入量，以及功能添加剂，保持电池高容量同时，解决电池安全性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术中的不足，提供一种有效改善电池大倍率放电的电解液。此电解液既保证了混合多元溶剂的搭配更为合理和电导率更高，又能在负极材料表面形成良好的SEI膜，更适合大倍率放电。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种适用于无人机锂电池的高倍率电解液，所述电解液包括溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂由碳酸亚乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和二甘醇二苯甲酸酯组成；添加剂占电解液的质量百分比为0.5%~6%。
进一步，电解液所采用的锂盐包括六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂。
进一步，六氟磷酸锂的物质的量浓度为1moL/L，四氟硼酸锂的物质的量浓度为0.1~0.3mol/L，二负草酸硼酸锂的质量分数的1%，双氟磺酰亚氨锂的质量分数为1~1.5%。
进一步，所述溶剂包括碳酸酯类溶剂和线性羧酸酯类溶剂这两种溶剂；所述碳酸酯类溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯和γ-丁内酯组成；所述线性羧酸酯溶剂选自丙酸乙酯、乙酸甲酯的至少一种。
进一步，所述溶剂中各组分占电解液溶剂总质量的百分比为：碳酸乙烯酯14~30%、碳酸甲乙酯17~20%、碳酸丙烯酯4~14%、乙酸甲酯26~30%、γ-丁内酯6~8%、丙酸乙酯和/或乙酸甲酯10~20%。
本发明的有益效果是：本发明采用EC（碳酸乙烯酯）基和高粘度PC（碳酸丙烯酯）基混合多元溶剂体系，通过优化溶剂配比，不仅保证电解液拥有较高的锂离子电导率，而且大幅度降低电解液粘度，适合电池大倍率放电。本发明在采用成膜添加剂碳酸亚乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和功能型锂盐二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂，探索出了几种添加剂的混合掺杂比例，使负极表面形成致密的SEI膜。采用二甘醇二苯甲酸酯为添加剂，优先于锂离子和PC发生溶剂化作用，防止锂离子和PC共嵌入石墨间层。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯12g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯5g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10g、γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.56g、六氟磷酸锂8.5g、二负草酸硼酸锂0.56 g、四氟硼酸锂1.6g和双氟磺酰亚胺锂0.84。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
实施例2
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯15g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯2g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯5g、γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.5g、双氟代碳酸乙烯酯0.5g、二甘醇二苯甲酸酯0.5g、六氟磷酸锂7.6g、二负草酸硼酸锂0.5g、四氟硼酸锂0.94g和双氟磺酰亚胺锂0.75g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
实施例3
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯8g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯8g、碳酸甲乙酯15g、乙酸甲酯12g、γ-丁内酯5g、碳酸亚乙烯酯0.58g、双氟代碳酸乙烯酯0.58 g、二甘醇二苯甲酸酯0.58g、六氟磷酸锂8.8 g、二负草酸硼酸锂0.58g、四氟硼酸锂1.1g和双氟磺酰亚胺锂0.58g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
实施例4
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯12g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯5g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10 g、γ-丁内酯4 g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.56 g、六氟磷酸锂8.5g、二氟草酸硼酸锂0.56 g、四氟硼酸锂1.58 g和双氟磺酰亚胺锂0.85 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
实施例5
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯12g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯5g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10g、γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.84g、六氟磷酸锂8.5g、二氟草酸硼酸锂0.85 g、四氟硼酸锂1.1g和双氟磺酰亚胺锂0.84g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
实施例6
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯12g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯5g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10g和γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.84g、六氟磷酸锂8.5g、二负草酸硼酸锂0.85 g、四氟硼酸锂1.1g和双氟磺酰亚胺锂0.84g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
对比例1（在实施例4的基础上，配方中不含二甘醇二苯甲酸酯）
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯12g、碳酸二乙酯10g、碳酸丙烯酯5g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10 g、γ-丁内酯4 g、、碳酸亚乙烯酯0.84g、双氟代碳酸乙烯酯0.84 g、六氟磷酸锂8.5g、二氟草酸硼酸锂0.56 g、四氟硼酸锂1.58 g和双氟磺酰亚胺锂0.85 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
对比例2（在实施例4的基础上，配方中不含碳酸丙烯酯）
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸乙烯酯17g、碳酸二乙酯10g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10g、γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.58g、六氟磷酸锂8.5g、二氟草酸硼酸锂0.56 g、四氟硼酸锂1.58 g和双氟磺酰亚胺锂0.85 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
对比例3（在实施例4的基础上，配方中不含碳酸乙烯酯）
一种适用于无人机电池的高倍率电解液，包括以下原料：碳酸丙烯酯10、碳酸二乙酯17g、碳酸甲乙酯15g、丙酸乙酯10g、γ-丁内酯4g、碳酸亚乙烯酯0.56g、双氟代碳酸乙烯酯0.56 g、二甘醇二苯甲酸酯0.58g、六氟磷酸锂8.5g、二氟草酸硼酸锂0.56 g、四氟硼酸锂1.58 g和双氟磺酰亚胺锂0.85 g。按照上述质量，将这些原料在手套箱里进行配置并搅拌。
将制备好的电解液注入钴酸锂/石墨软包电池中，软包电池的设计容量为16 Ah，注液系数为3.5g/Ah，注液完成后进行封装、搁置、化成、老化、二次封装、分容等工序，得到无人机高功率锂离子电池。
表1实施例1~6和对比例1~3的锂离子电池性能测试
Figure 781704DEST_PATH_IMAGE002
实施例采用EC（碳酸乙烯酯）基和高粘度PC（碳酸丙烯酯）基混合多元溶剂体系，使其具有比对比例2和3更高的离子电导率，相较于对比例1，本发明采用二甘醇二苯甲酸酯为添加剂，优先于锂离子和PC发生溶剂化作用，防止锂离子和PC共嵌入石墨间层，使用碳酸亚乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和功能型锂盐二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂添加剂，使负极表面形成SEI膜，因此电池大倍率放电容量更高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种适用于无人机锂电池的高倍率电解液，其特征在于：电解液包括溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂由碳酸亚乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和二甘醇二苯甲酸酯组成；添加剂占电解液的质量百分比为0.5%~6%；
所述溶剂包括碳酸酯类溶剂和线性羧酸酯类溶剂这两种溶剂；所述碳酸酯类溶剂由碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯和γ-丁内酯组成；所述线性羧酸酯溶剂选自丙酸乙酯、乙酸甲酯的至少一种；
电解液所采用的锂盐包括六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和双氟磺酰亚胺锂。
2.根据权利要求1所述的适用于无人机锂电池的高倍率电解液，其特征在于：六氟磷酸锂的物质的量浓度为1moL/L，四氟硼酸锂的物质的量浓度为0.1~0.3mol/L，二负草酸硼酸锂的质量分数的1%，双氟磺酰亚氨锂的质量分数为1~1.5%。
3.根据权利要求1所述的适用于无人机锂电池的 高倍率电解液，其特征在于：所述溶剂中各组分占电解液溶剂总质量的百分比为：碳酸乙烯酯14~30%、碳酸甲乙酯17~20%、碳酸丙烯酯4~14%、乙酸甲酯26~30%、γ-丁内酯6~8%、丙酸乙酯和/或乙酸甲酯10~20%。
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