CN114243040A - 一种锂二硫化铁电池的电解液及所得的产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学锂一次电池技术领域，具体涉及一种锂二硫化铁电池的电解液及所得的产品。锂二硫化铁电池的电解液包括电解质和有机溶剂，所述电解质是碘化锂，所述碘化锂的含量为电解液的7～15wt％；所述有机溶剂是醚类溶剂，所述醚类溶剂含量为电解液的85～97wt％。利用醚类溶剂，尤其是二乙二醇二甲醚的低粘度、低熔点和良好的低温性能，将单一醚类溶剂或醚类溶剂混合物作为溶剂，再将锂盐溶解，使锂二硫化铁电池的低温放电性能得以提高。由于二乙二醇二甲醚的闪点较高，因此可通过醚类溶剂各组分比例的配合，改善锂二硫化铁电池的安全性能。本发明的含醚电解液锂二硫化铁电池低温放电性能与安全性能优异。

Description

一种锂二硫化铁电池的电解液及所得的产品
技术领域
本发明属于电化学锂一次电池技术领域，具体涉及一种锂二硫化铁电池的电解液及所得的产品。
背景技术
随着便携式电子设备的快速发展，锂一次电池(金属锂或锂合金为负极材料的一次电池)因其比能量高、高比功率和良好的储存性能，广泛应用于工业、医药、民用以及军用等多个领域。然而在某些特定的环境下，如寒冷的冬季，锂一次电池的低温放电性能就显得尤为重要。锂二硫化铁电池作为锂一次电池的一种，它具有良好的低温放电性能。锂二硫化铁电池由二硫化铁正极、电解液、隔膜和锂带负极组成，对于低温性能来说，电解液性质至关重要。一般来说，非水电解液比含水电解液可以在更低的温度条件下进行正常放电，但并不总是在低温条件下具有最佳放电性能，因此需要一类优良低温性能的非水溶剂。但这必然会出现安全性降低这一难题，因而在提高锂二硫化铁电池的低温放电性能的同时，也需要保证电池的安全性。目前大量种类的电解液溶质被用于锂二硫化铁电池，包括三氟甲磺酸锂、高氯酸锂和碘化锂等。高氯酸锂作为电解液的成本相对较低，但由于高氯酸锂的强氧化性，导致其受到外力冲击时易着火、爆炸，其较差的安全性能不适合锂二硫化铁电池的工业化生产。而三氟甲磺酸锂能为锂二硫化铁电池提供较好的放电性能，但与其它电解液相比，三氟甲磺酸锂电解液的电导率相对较低，且三氟甲磺酸锂的价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以碘化锂作为电解质的锂二硫化铁电池的电解液，所述电解液的电池性能和安全性能良好。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：.一种锂二硫化铁电池的电解液，包括电解质和有机溶剂，所述电解质是碘化锂，所述碘化锂的含量为电解液的7～15wt％；所述有机溶剂是醚类溶剂，所述醚类溶剂含量为电解液的85～97wt％。碘化锂作为三氟甲磺酸锂的代替品，不仅成本得到了降低，且改进了锂二硫化铁电池的电性能。为了在降低锂二硫化铁电池成本的同时改善锂二硫化铁电池的电性能，需要一种安全的、以碘化锂作为电解质的电解液。
进一步：在上述锂二硫化铁电池的电解液中，所述的醚类溶剂为1,3-二氧戊环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚和四乙二醇二甲醚中的至少一种。
在上述锂二硫化铁电池的电解液中，所述的醚类溶剂为1,3-二氧戊环、乙二醇二甲醚和二乙二醇二甲醚的组合物。
再进一步：所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的45％～75wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的10～35wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的3～20wt％。
优选的所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的45～70wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的15～30wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的5～15wt％。
优选的所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的55～65wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的20～25wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的7％～10wt％。所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的40％～85wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的10～40wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的3～25wt％。
本发明还提供了一种锂二硫化铁电池，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述电解液为本发明的锂二硫化铁电池的电解液。所述正极片由以下重量百分数的组分组成：二硫化铁50～70wt％、粘结剂2～8wt％、导电剂2～8wt％、正极添加剂1～5wt％、N-甲基吡咯烷酮20～35wt％，所述的各组份的重量百分比之和达到100％。所述粘结剂为聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或两种的组合。所述导电剂为乙炔黑和石墨中的一种或两种的组合。所述正极添加剂为氧化钙和二氧化硅中的一种或两种的组合。
与现有技术相比，本发明的锂二硫化铁电池的电解液包括电解质和有机溶剂，所述电解质是碘化锂，所述碘化锂的含量为电解液的7～15wt％；所述有机溶剂是醚类溶剂，所述醚类溶剂含量为电解液的85～97wt％。本发明电解液提供一种安全性高的低温锂二硫化铁电池的含醚电解液，以解决现有技术所存在的问题，利用醚类溶剂，尤其是二乙二醇二甲醚的低粘度、低熔点和良好的低温性能，将单一醚类溶剂或醚类溶剂混合物作为溶剂，再将锂盐溶解，使锂二硫化铁电池的低温放电性能得以提高。由于二乙二醇二甲醚的闪点较高，因此可通过醚类溶剂各组分比例的配合，改善锂二硫化铁电池的安全性能，避免由于突然的重物冲击、挤压等外力造成电池的短路而引起的爆炸、燃烧等现象，进一步促进了电池的应用。本发明的含醚电解液锂二硫化铁电池低温放电性能与安全性能优异。
具体实施方式
本发明的主旨是将二乙二醇二甲醚作为电解液的组成部分，二乙二醇二甲醚具有低粘度、低熔点、高闪点和良好的低温性能，由本发明含量范围所制得的电解液的粘性和熔点得到有效降低，应用到锂-二硫化铁电池中，提高电池的放电性能特别是低温放电性能，并改善了电池的安全性能。所以本发明的含醚电解液锂-二硫化铁电池低温放电性能与安全性能优异。通过以下具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例1
制造安全性高的低温含醚电解液的锂二硫化铁电池，以评估在各种低温恒流放电制度下的放电性能以及安全性能。
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10w％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的57w％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的23wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的10wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁60wt％，导电剂石墨3wt％、乙炔黑2wt％，粘结剂聚偏氟乙烯3wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙1.5wt％、二氧化硅1.5wt％，N-甲基吡咯烷酮26wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例2
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的55wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的25wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的10wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁56wt％，导电剂石墨4wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯3wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙2wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮27wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例3
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的60wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的22w％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的8wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁57wt％，导电剂石墨3wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯3wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙2wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮27wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例4
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的62wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的20wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的8wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁58wt％，导电剂石墨3wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯3wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙2wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮26wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例5
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的60wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的23wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的7wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁59wt％，导电剂石墨3wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙2wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮26wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例6
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的12w％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的59w％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的21wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的8wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁60wt％，导电剂石墨3wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙1wt％、二氧化硅3wt％，N-甲基吡咯烷酮25wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例7
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的14wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的55wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的24wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的7wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁61wt％，导电剂石墨2wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙3wt％、二氧化硅1wt％，N-甲基吡咯烷酮25wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例8
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的15wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的55wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的22w％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的8wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁62wt％，导电剂石墨2wt％、乙炔黑3wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙1wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮25wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例9
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的8wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的61wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的22wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的9wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁63wt％，导电剂石墨2wt％、乙炔黑2wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙1wt％、二氧化硅2wt％，N-甲基吡咯烷酮25wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
实施例10
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的7wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的65wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的23wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的7wt％。
锂二硫化铁电池正极片的制备：活性物质二硫化铁64wt％，导电剂石墨2wt％、乙炔黑2wt％，粘结剂聚偏氟乙烯2wt％、聚四氟乙烯3wt％，添加剂氧化钙2wt％、二氧化硅1wt％，N-甲基吡咯烷酮24wt％。
锂二硫化铁电池的制备：将所制备的正极片和锂带负极片，在其中间加入隔膜，卷绕成为电芯后放入钢壳，并注入所配置的电解液，密封后形成AA型锂二硫化铁电池。
对比例1
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的10wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的67wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的23wt％。
按实施例1所述方法制备正极片和锂二硫化铁电池。
对比例2
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的8wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的68wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的24wt％。
按实施例1所述方法制备正极片和锂二硫化铁电池。
对比例3
电解液制备：将碘化锂溶于醚类混合溶剂，碘化锂的含量为电解液的12wt％，1,3-二氧戊环的含量为电解液的66wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的22wt％。
按实施例1所述方法制备正极片和锂二硫化铁电池。
实施例1-10对比例1-3与的最大的不同之处在于：对比例未使用二乙二醇二甲醚作为溶剂。
将实施例1～10和对比例1-3所制备的电池进行低温放电测试与安全性能测试，测试结果如表1和表2所示：
表1：AA型锂二硫化铁电池低温放电容量对比
Figure BDA0003410468200000061
Figure BDA0003410468200000071
表2：AA型锂二硫化铁电池安全性能对比
Figure BDA0003410468200000072
通过表1中实施例1～10和对比例1～3的低温放电容量对比，发现未使用二乙二醇二甲醚作为溶剂的锂二硫化铁电池容量较低，表明将二乙二醇二甲醚作为溶剂能有效提升锂二硫化铁电池低温放电性能。
通过表2中实施例1～10和对比例1～3的安全性能对比，发现未使用二乙二醇二甲醚作为溶剂的锂二硫化铁电池安全性能极差，表明将二乙二醇二甲醚作为溶剂能有效改善锂二硫化铁电池安全性能。
以上所述的实施例仅为本发明较佳的实现方式，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明构思情况下，进行任何显而易见的变形和替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂二硫化铁电池的电解液，包括电解质和有机溶剂，其特征在于：所述电解质是碘化锂，所述碘化锂的含量为电解液的7～15wt％；所述有机溶剂是醚类溶剂，所述醚类溶剂含量为电解液的85～97wt％。
2.根据权利要求1所述的锂二硫化铁电池的电解液，其特征在于：所述的醚类溶剂为1,3-二氧戊环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚和四乙二醇二甲醚中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的锂二硫化铁电池的电解液，其特征在于：所述的醚类溶剂为1,3-二氧戊环、乙二醇二甲醚和二乙二醇二甲醚的组合物。
4.根据权利要求3所述的锂二硫化铁电池的电解液，其特征在于：所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的45％～75wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的10～35wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的3～20wt％。
5.根据权要求4所述的锂二硫化铁电池的电解液，其特征在于：所述1,3-二氧戊环的含量为电解液的55～65wt％，乙二醇二甲醚的含量为电解液的20～25wt％，二乙二醇二甲醚的含量为电解液的7％～10wt％。
6.一种锂二硫化铁电池，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1～5任一项所述的锂二硫化铁电池的电解液。
7.根据权利要求6所述的锂二硫化铁电池，其特征在于，所述正极片由以下重量百分数的组分组成：二硫化铁50～70wt％、粘结剂2～8wt％、导电剂2～8wt％、正极添加剂1～5wt％、N-甲基吡咯烷酮20～35wt％，所述的各组份的重量百分比之和达到100％。
8.根据权利要求7所述的锂二硫化铁电池，其特征在于，所述粘结剂为聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或两种的组合。
9.根据权利要求8所述的锂二硫化铁电池，其特征在于，所述导电剂为乙炔黑和石墨中的一种或两种的组合。
10.根据权利要求9所述的二硫化铁电池，其特征在于，所述正极添加剂为氧化钙和二氧化硅中的一种或两种的组合。
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