CN114430065A - 一种锂离子电池电解液及使用该电解液的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池电解液及使用该电解液的锂离子电池。该锂离子电池电解液,包括有机溶剂、锂盐和添加剂,所述添加剂为环硼硅氧烷类化合物。本发明锂离子电池用电解液可以增加锂离子电池容量保持率,提高电池的循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域,具体是涉及一种锂离子电池用高电压电解液以及使用该电解液的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点,而成为目前发展最快的新型高储能电池。但随着电池应用的领域越来越广泛,人们对电池的要求越来越高。
电解液作为锂离子电池的关键材料,是影响锂离子电池循环性能的重要因素,而电解液添加剂又是其中极为关键的组分,在循环过程中由于脱嵌锂带来的应力使得负极的SEI(Solid Electrolyte Interface,固体电解质界面膜)不断破坏和不断生成,成膜添加剂会不断被消耗导致循环容量迅速衰减,这就需要负极成膜更强或成膜韧性更好的添加剂稳定正负极,让其界面形成更好更稳定的保护膜,其中电解液起到关键性作用,是影响锂离子电池电性能的重要因素。目前,通过加入不同的电解液添加剂来改善SEI膜的性能是一种十分有效的手段,是实现高性能锂离子电池的有效途径。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种锂离子电池用电解液及使用该电解液的锂离子电池。采用该电解液的锂离子电池,能够增加锂离子电池容量保持率,提高电池的循环寿命。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种锂离子电池电解液,包括有机溶剂、锂盐和添加剂,所述添加剂为环硼硅氧烷类化合物,其结构通式如式(Ⅰ)所示:
其中R1、R2、R3各自独立的选自C1-20烷基、C3-20环烷基、C2-20烯基、C2-20炔基、C3-20环烯基、C5-26芳基或C5-26杂芳基,m的取值范围为2-20。
进一步地,所述锂离子电池电解液中,以锂离子电池电解液的质量为基准,添加剂的含量为0.1%-16%,有机溶剂的含量为75%-90%,锂盐的含量为9%-20%。
进一步地,具有式(Ⅰ)所示的结构通式的环硼硅氧烷类化合物优选T1、T2、T3化合物中的至少一种:
进一步地,所述的环硼硅氧烷类化合物占电解液总质量的0.1%-10.0%,优选为0.5%-1.0%。
进一步地,所述有机溶剂包括有机碳酸酯、C1-10烷基醚、亚烷基醚、环醚、羧酸酯、砜、腈、二腈、离子液体中的至少一种。
进一步地,所述锂离子电池电解液中,有机溶剂的质量分数占79%-90%。
进一步地,所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲脂、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、二甲醚、二乙醚、己二腈、丁二腈、戊二腈、二甲基亚砜、环丁砜、1,4-丁内酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯及丁酸乙酯中至少的一种。
进一步地,所述锂盐为LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、四氟草酸磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的至少一种。其中锂盐在电解液中的浓度为0.5mol/L-3mol/L。
本发明上述锂离子电池电解液可采用常规的制备方法来制备。比如:在惰性气氛下,向有机溶剂中缓慢加入锂盐,然后再加入添加剂(环硼硅氧烷类化合物),即可得到锂离子电池电解液。
本发明还提供了一种锂离子电池,其中采用上述电解液。
进一步地,所述锂离子电池,采用的阴(负)极活性材料包括能够包藏和释放锂离子的材料。
进一步地,所述锂离子电池,采用的阴极活性材料为具有橄榄石结构的锂化过渡金属磷酸盐、具有层状结构的锂离子嵌入过渡金属氧化物及具有尖晶石结构的锂化过渡金属混合氧化物中的至少一种。
进一步地,所述锂离子电池,采用的阳(正)极活性材料包含能够包藏和释放锂离子的材料。
进一步地,所述锂离子电池,采用的阳极活性材料为含碳材料、钛氧化物、硅、锂、锂合金及能够形成锂合金的材料中的至少一种。
发明人经研究发现,本发明采用环硼硅氧烷类化合物作为新型电解液添加剂,相比常规电解液添加剂用量少,且不需要添加一般的成膜添加剂(如硫酸乙烯酯(DTD)、亚硫酸乙烯酯(ES)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)等成膜添加剂),利用环硼硅氧烷类化合物中的硼和硅氧烷基团的协同作用,能够形成稳定的CEI膜和SEI膜,可以同时清除HF和水,并抑制过渡金属的溶出,从而有效提升锂电池循环性能。
发明人进一步研究发现,采用环硼硅氧烷类化合物作为新型电解液添加剂时,加入量很少,仅为0.5%-1.0%时,在1C下循环500圈的容量保持率显著提高,效果突出。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)环硼硅氧烷T1的制备:在氮气保护下,先将一定量苯硼酸溶于四氢呋喃,转移到恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到装有一定量的二甲基二氯硅烷的三口瓶中,搅拌反应3h,而后缓慢加入金属氧化物和乙酸乙酯的悬浮液,继续反应12h;减压抽滤,加入无水硫酸钠干燥后过滤,蒸除乙酸乙酯并纯化后得到环硼硅氧烷T1,其化学式如下:
(2)正极制备:将三元正极材料NCM811、导电炭黑、粘结剂PVDF按照质量比95:2.5:2.5加入搅拌罐中,添加适量N-甲基吡咯烷酮后充分搅拌均匀,得到粘度固含适中的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于铝箔上,经烘干、辊压、分切后得到正极极片。
(3)负极制备:将负极活性物质石墨、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶、增稠剂羧甲基纤维素钠按照质量比95:2:2:1进行混合,加入去离子水,充分搅拌混匀,形成均匀的负极浆料并均匀涂覆铜箔上,烘干后得到负极极片。
(4)电解液配制:在氩气气氛的手套箱中(H2O<0.5ppm,O2<0.5ppm),取占电解液总质量为86.9%的有机溶剂(有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)与碳酸二甲酯(DMC),按照质量比计EC:EMC:DMC=3:5:2),并向有机溶剂中缓慢加入占电解液总质量为12.6%的LiPF6(浓度1mol/L),最后再向该电解液中添加电解液总质量0.5%的环硼硅氧烷类化合物T1,得到电解液。
(5)锂离子电池制备:将正极片、隔膜、负极片按照顺序叠好,卷绕后得到裸电芯,经热压整形、极耳焊接、顶侧封、注液、静置、化成、除气、二封、分容后得到电池。
实施例2
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是电解液添加剂T1的添加量占电解液总质量的1.0%,有机溶剂占电解液总质量的86.5%,LiPF6占电解液总质量的12.5%。
实施例3
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是电解液添加剂T1的添加量占电解液总质量的1.5%,有机溶剂占电解液总质量的86%,LiPF6占电解液总质量的12.5%。
实施例4
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是电解液添加剂T1的添加量占电解液总质量的2.0%,有机溶剂占电解液总质量的85.6%,LiPF6占电解液总质量的12.4%。
实施例5
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是锂盐用等质量的双三氟甲烷磺酰亚胺锂代替六氟磷酸锂。
实施例6
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是用等质量的锂盐二氟草酸硼酸锂代替六氟磷酸锂。
实施例7
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是:添加剂采用等质量的环硼硅氧烷类化合物T2代替环硼硅氧烷类化合物T1,环硼硅氧烷类化合物T2的化学式如下:
实施例8
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是:添加剂采用等质量的环硼硅氧烷类化合物T3代替环硼硅氧烷类化合物T1,环硼硅氧烷类化合物T3的化学式如下:
对比例1
与实施例1按照相同的方法制备电池,不同的是:电解液中不加入环硼硅氧烷类化合物T1,其中,电解液中,有机溶剂占电解液总质量的87.3%,LiPF6占电解液总质量的12.7%。
对比例2
与实施例2按照相同的方法制备电池,不同的是:电解液添加剂环硼硅氧烷类化合物T1换成等质量的三(三甲基硅烷)硼酸酯添加剂。
对比例3
与实施例2按照相同的方法制备电池,不同的是:除了加入1.0%电解液添加剂环硼硅氧烷类化合物T1,另外加入3.0%硫酸乙烯酯添加剂,有机溶剂占电解液总质量的83.8%,LiPF6占电解液总质量的12.2%。
测试例
循环性能测试:在25±2℃条件下,以1C/1C充放电倍率对电池进行充放电循环,电压区间为2.7-4.2V,循环500圈后记录其容量保持率,上述实施例和对比例的测试结果见表1。
内阻测试:分别对上述实施例和对比例的锂离子电池进行电芯内阻测试,测试结果见表1。
表1
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
2.按照权利要求1所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述锂离子电池电解液中,以锂离子电池电解液的质量为基准,添加剂的含量为0.1%-16%,有机溶剂的含量为75%-90%,锂盐的含量为9%-20%。
4.按照权利要求1所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述的环硼硅氧烷类化合物占电解液总质量的0.1%-10.0%,优选为0.5%-1.0%。
5.按照权利要求1所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述有机溶剂包括有机碳酸酯、C1-10烷基醚、亚烷基醚、环醚、羧酸酯、砜、腈、二腈、离子液体中的至少一种。
6.按照权利要求1所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲脂、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、二甲醚、二乙醚、己二腈、丁二腈、戊二腈、二甲基亚砜、环丁砜、1,4-丁内酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯及丁酸乙酯中至少的一种。
7.按照权利要求1、4、5或6所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述锂离子电池电解液中,有机溶剂的质量分数占79%-90%。
8.按照权利要求1所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述锂盐为LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、四氟草酸磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的至少一种。
9.按照权利要求1或8所述的锂离子电池电解液,其特征在于:所述锂盐在电解液中的浓度为0.5mol/L-3mol/L。
10.一种锂离子电池,其特征在于:采用权利要求1-9任一所述锂离子电池电解液。
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