CN114243211A - 一种抑制产气的锂电池用隔膜及锂电池 - Google Patents

一种抑制产气的锂电池用隔膜及锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种抑制产气的锂电池用隔膜材料，该锂电池用隔膜中含有即如结构式A或B所示的锂盐类化合物：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
化合物A

Description

一种抑制产气的锂电池用隔膜及锂电池
技术领域
本发明涉及涉及电池领域，特别是一种锂电池用隔膜，主要用于与锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、环境友好、产业链成熟和应用范围广等特点，近几年随着国家一系列鼓励政策的推动，产业发展速度越来越快。同时锂电池作为一种清洁能源，其使用可以有效减少二氧化碳的排放，因此会促进我国和全世界二氧化碳排放降低目标的早日实现。
高能量密度和高安全性是锂电池性能发展的主要方向。提高正极材料比容量和提高电池充电电压是提升电池能量密度的最主要方式。但是，在电池充放电和高温存储过程中，正极材料的析氧反应都会加剧，析出的活性氧会导致正极材料与电解液之间的副反应加剧，导致溶剂的氧化分解和金属离子的溶出等，金属离子在负极沉积又会导致负极SEI膜的破坏，进而导致溶剂的还原分解。整个过程会导致CO2、CO、H2、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯等气体的产生，进而导致电池产生严重的体积膨胀。体积膨胀会导致正负极和隔膜之间错位，轻则会导致电池阻抗增加而造成循环性能衰减，重则因正负极错位导致正负极直接接触，进而因自放电而导致电池热失控，形成火灾等事故。
围绕电池产气抑制，研究人员围绕电极材料改性和电解液改性开展了一系列工作，比如正极材料表面包袱一层氧化物材料作为惰性物质，抑制正极材料与电解液之间的副反应，进而抑制循环和存储过程中电池的体积膨胀，但是惰性物质的引入会导致电池能量密度下降，且会增加阻抗。在电解液中添加剂成膜类添加剂，比如PS，可以辅助在正极表面形成一层界面膜，这层界面膜具有电化学和化学稳定性，也可以有效抑制正极与电解液之间的界面反应，但是PS是一种致癌类物质，已经别列入欧盟管制药品清单，后续使用会受到诸多限制。另外，还可以在隔膜表面涂布一层氧化铝、氧化硅或者水母石等，虽然上述策略可以达到提升电池存储性能的目的。但是，上述涂覆的物质均为氧化物材料，绝缘性比较强，经涂布后，电池极化增加，对电池长期循环寿命会有一定的影响。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种抑制产气的锂电池用隔膜，：该锂电池用隔膜中含有如下结构式A或B所示的锂盐类化合物：
Figure BDA0003345228390000021
Figure BDA0003345228390000022
进一步的，所述结构式A或B所示锂盐化合物的引入方式可以在隔膜制作阶段加入，也可以通过二次涂布的方式加入。
进一步的，所述结构式A或B所示的锂盐化合物在隔膜中的含量为1％～10％，较优量是2％～5％；若通过二次涂布加入的，二次涂布层的厚度为0.01um～3um。
进一步的，所述结构式A或B中R指的是碳原子数为1～8的烷基、氟代烷基、含烯基的烷基、含炔基的烷基、含烯基的氟代烷基、含炔基的氟代烷基、含苯基的烷基和含苯基的氟代烷基。
一种锂电池，含有所述的抑制产气的锂电池用隔膜。
本发明的有益效果在于：
本发明的目的在于提供一种抑制高能量密度电池存储或循环过程中产气的策略。经研究，如化合物A和化合物B所示的物质可以有效吸附电池存储或循环过程中产生的活性氧，减少活性氧对电解液溶剂的氧化，进而可以抑制电池高温存储和循环过程中的产气；同时，作为含锂化合物，这两类物质具有一定的电导率，因此这两种物质在隔膜中的加入不会导致过多的极化增加，进而有利于电池的长期循环寿命和存储寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
对比例1
正极板的制备
按92:4:3:1的质量比混合正极活性材料锂镍钴锰氧化物LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(简称NMC)，导电碳黑Super-P和粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)，然后将它们分散在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，得到正极浆料。将浆料均匀涂布在铝箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上铝制引出线后得到正极板。
负极板的制备
按92:2:3:3的质量比混合负极活性材料人造石墨，导电碳黑Super-P，粘结剂丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)，然后将它们分散在去离子水中，得到负极浆料。将浆料涂布在铜箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上镍制引出线后得到负极板。
电芯的制备
在正极板和负极板之间放置厚度为20μm的聚乙烯微孔膜作为隔膜，然后将正极板、负极板和隔膜组成的三明治结构进行卷绕，经引出极耳后封装在铝塑膜中得到待注液的电芯。
电解液的制备
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)按质量比为EC:DEC:EMC＝3:2:5进行混合，然后加入LiPF6至摩尔浓度为1mol/L，再加入添加剂组合物：1％的VC(碳酸乙烯酯),0.5％PS(1,3-丙烷磺酸内酯)和1％的二氟磷酸锂。
电芯的注液和化成
在水分低于10ppm的手套箱中，将本实施例制备的电解液注入到电芯中，电解液的量要保证充满电芯中的空隙。然后按以下步骤进行化成：0.01C恒流充电30min，0.02C恒流充电60min，0.05C恒流充电90min，0.1C恒流充电240min，之后搁置1hr后整形封口，然后进一步以0.2C的电流恒流充电至4.30V，常温搁置24hr后，以0.2C的电流恒流放电至3.0V。
对比例2
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:40:50的PVDF粘结剂：氧化铝：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为2微米。
实施例1
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:10:30:50的PVDF粘结剂：氧化铝：甲基硫酸酯锂：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为2微米。
实施例2
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:40:50的PVDF粘结剂：甲基硫酸酯锂：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为2微米。
实施例3
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:40:50的PVDF粘结剂：甲基硫酸酯锂：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为1微米。
实施例4
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:40:50的PVDF粘结剂：乙基磺酸酯锂：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为1微米。
实施例5
具体操作和对比例1相同，区别在于所使用的隔膜经过了改性，具体过程如下：a.将质量比为10:40:50的PVDF粘结剂：三氟乙基磺酸酯锂：NMP混合均匀后得到涂布浆料；b.将步骤a中获得的浆料涂布在聚乙烯微孔隔膜表面；c.经烘干后获得改性后的隔膜，其中改性层的厚度约为1微米。
对上述实施例1-5及对比例1-2制备获得的电解液与锂离子电池应用于电池的各项性能进行测试，包括：
一、初始交流阻抗
化成之后的电池，0.5C倍率下将电池充电至4.3V后，0.5C倍率下放电至电池容量的50％，之后测试电池的EIS阻抗。EIS测试条件如下：频率范围106Hz～0.1Hz，扰动电压10mV。
二、高温贮藏性能测试
按循环性能测试方法循环1周，记录第1周放电容量、内阻和体积，然后以1C的电流恒流充电至化成截止电压(钴酸锂电池为4.40V，磷酸铁锂为4.0V，三元材料为4.3V)，并恒压充电至电流下降至0.1C，在60℃恒温烘箱中静置30天，然后按循环性能测试方法，常温下循环2周，记录高温静置后第1周放电容量、第2周放电容量、贮藏后内阻和体积。按下式计算电池贮存后的内阻增长率和体积膨胀率：
内阻增长率＝(贮藏后内阻-第1周内阻)/第一周内阻*100％。
体积膨胀率＝(贮藏后体积-第1周体积)/第一周体积*100％。
三、循环性能测试
以1C的电流恒流充电至4.20V然后恒压充电至电流下降至0.1C，然后以1C的电流恒流放电至3.0V，如此循环1000周，记录第1周的放电容量和第500或1000周的放电容量，按下式计算电池循环的容量保持率：
容量保持率＝第500或1000周的放电容量/第1周的放电容量*100％。
高温贮藏性能和循环性能测试结果如下表1所示：
Figure BDA0003345228390000051
Figure BDA0003345228390000061
如上表所示，随着如化合物A和化合物B结构的物质在隔膜中的引入，电池热稳定性能提高明显，尤其是电池的高温存储性能和电池的循环稳定性能得到显著提升。本发明为提升电池高温存储性能的循环性能提供了一种简洁且性价比高的方法，便于在不同电池生产体系中拓展。

Claims (5)

1.一种抑制产气的锂电池用隔膜，其特征在于：该锂电池用隔膜中含有如下结构A或B所示的锂盐类化合物：
Figure FDA0003345228380000011
Figure FDA0003345228380000012
。
2.根据权利要求1所述的抑制产气的锂电池用隔膜，其特征在于：所述结构式A或B所示锂盐化合物的引入方式可以在隔膜制作阶段加入，也可以通过二次涂布的方式加入。
3.根据权利要求1所述的抑制产气的锂电池用隔膜，其特征在于：所述结构式A或B所示的锂盐化合物在隔膜中的含量为1％～10％，较优量是2％～5％；若通过二次涂布加入的，二次涂布层的厚度为0.01um～3um。
4.根据权利要求1所述的抑制产气的锂电池用隔膜，其特征在于：所述结构式A或B中R指的是碳原子数为1～8的烷基、氟代烷基、含烯基的烷基、含炔基的烷基、含烯基的氟代烷基、含炔基的氟代烷基、含苯基的烷基和含苯基的氟代烷基。
5.一种锂电池，含有如权利要求1-4之一所述的抑制产气的锂电池用隔膜。
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