CN115528305A - 锂离子电池非水解性电解液及具有该电解液的锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池非水解性电解液及具有该电解液的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池非水解性电解液及具有该电解液的锂离子电池，其原料包括：电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯、1,3‑丙烷磺酸内酯、硫酸乙烯酯中的一种或两种以上混合物。本发明中化合物B作为改善化合物A低温性能的添加剂，其所含硫氧化物能够先与碳酸亚乙烯酯双键反应，钝化活性，抑制异氰酸根的反应，减少对低温性能的影响。本发明还公开了具有上述电解液的锂离子电池。本发明的锂离子电池通过化合物A、化合物B的共同作用，在不影响电池高温性能和低温性能前提下，有效地改善了DTD在高温下分解，降低了电解液在存储、运输、生产过程中的成本。

Description

锂离子电池非水解性电解液及具有该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池的技术领域，具体涉及一种锂离子电池非水解性电解液及其具有该电解液的锂离子电池。
背景技术
目前现有的工业制造锂离子电池所用的电解液，电解质主要为LiPF6、LiBF4、LiCLO4、LiI等，电解质浓度为0.1～2.0mol/L，以EC-PC-DMC-DEC-EMC(其中EC为碳酸乙烯酯、PC为碳酸丙烯、DMC为碳酸二甲酯、DEC为碳酸二乙酯、EMC为碳酸甲乙酯)等有机物为溶剂。
电解液对锂电池的性能影响比较大，这主要是由于电解液的成分、浓度、黏度、电导率与电极表面反应相关联。电解液的导电性、电极反应的可逆性直接影响锂电池的放电容量，电解液的稳定性会影响锂电池的安全性能，电解液对锂电池的比容量、工作温度范围、充放电循环效率、高低温性能也有较大影响。
DTD(硫酸乙烯酯)是广泛应用于锂离子二次电池电解液中，能够在正、负极形成阻抗低且稳定的Li2SO3和ROSO2Li的SEI膜，很好地抑制了正、负极材料与电解液表面的氧化分解以及还原反应，由此而造成的电极表面的极化增大、阻抗增高、电导率低的反应副产物覆盖在表面，造成循环急速跳水、高温下严重产气等问题，因为DTD能够在保证电池低温性能同时兼顾良好的高温性能，所以作为添加剂被广泛地添加到在锂离子电池的电解液中。
中国专利(专利号：CN201610458121.X)中提到一种锂离子电池用电解液及含有该电解液的锂离子电池，选用一种高温型添加剂HMDI(六亚甲基二异氰酸酯)能够提高锂离子电池在高温下的存储性能，与添加剂FEC、VEC等可有效改善HMDI添加后引起的低温性能较差问题。
但是DTD在高温下(超过10℃)会在LiPF6水解下反应产物PF5强路易斯酸催化下，导致开环生成有颜色的物质，造成色度明显增加，因此需要低温存储，这给材料保存、运输、生产工艺环节造成一定成本上的增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂离子电池非水解性电解液及具有该电解液的锂离子电池。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池非水解性电解液，所述锂离子电池非水解性电解液的原料包括：电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯或硫酸乙烯酯中的一种或两种以上混合物；
所述化合物A的通式为：
Figure BDA0003878486760000021
其中，R1、R2为烷基CnH2n+1、烯基CnH2n、多烯基、芳香烃基、烷氧基或异氰酸酯的其中一种或多种，R1、R2中碳原子个数1≤n≤7；
所述化合物B的通式为：
Figure BDA0003878486760000022
其中，R1'为烷基CmH2m+1、烯基CmH2m、多烯基、芳香烃基、烷氧基、氟代烷氧基或硫氧化物中的一种或两种以上混合物；R1'中碳原子个数0≤m≤7；
以电解液质量以100％计，所述添加剂的含量占电解液的1.5％～5％。
作为本发明的一种优选方案，以电解液质量为100％计，所述化合物A占电解液的0.1％～1％、化合物B占电解液的0.1％～3％、碳酸亚乙烯酯占电解液的1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液的1％、硫酸乙烯酯占电解液的2％。
作为本发明的一种优选方案，以电解液质量为100％计，所述化合物A占电解液的0.1％～0.5％、化合物B占电解液的0.1％～1％、碳酸亚乙烯酯占电解液的1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液的1％、硫酸乙烯酯占电解液的2％。
作为本发明的一种优选方案，所述电解质包括六氟磷酸锂、双草酸硼酸酯锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟磺酰亚胺锂或双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种的组合，以电解液质量为100％计，所述电解质占电解液的10％～14.5％。
作为本发明的一种优选方案，所述非水性有机溶剂包括含EC、EMC、DEC、DMC、PC中的二种或者多种混合物，所述非水性有机溶剂占电解液的81.5％～83％。
作为本发明的一种优选方案，所述的添加剂为化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯与硫酸乙烯酯的组合物。
作为本发明的一种优选方案，所述化合物A为六亚甲基二异氰酸酯。
作为本发明的一种优选方案，所述化合物B为三氧化硫三乙胺。
作为本发明的一种优选方案，所述电解质为LiPF6或LiFSI。
本发明还公开了一种锂离子电池，具有上述锂离子电池非水解性电解液。
本发明具有以下有益效果：本发明中化合物A是在六亚甲基的基础上引入异氰酸酯类基团，能在锂电池正、负电极表面形成很好的钝化膜，以很好地保护正、负电极表面，异氰酸酯可以消耗微量水分，与HF反应，抑制LiPF6水解产生的PF5，可以减少PF5对DTD的催化作用。当化合物A含量小于0.1％时，其在电极界面的SEI膜成膜效果较差，对电极表面起不到很好的保护作用，对PF5抑制作用不明显，当化合物A含量大于1％时候，异氰酸根(-N＝C＝O)与碳酸亚乙烯酯中的双键(-C＝C-)在低温下会发生化学反应，照成电池低温析锂严重，恶化低温放电容量。
本发明中化合物B作为改善化合物A低温性能的添加剂，其所含硫氧化物能够先与碳酸亚乙烯酯双键反应，钝化活性，抑制异氰酸根的反应，减少对低温性能的影响。当化合物B含量小于0.1％时，抑制异氰酸根的效果不明显，当化合物B含量大于3％时，会增大电解液黏度，锂离子迁移会变得困难。
与现有技术相比，本发明通过化合物A、化合物B的共同作用，在不影响电池高温性能和低温性能前提下，有效地改善了DTD在高温下分解，降低了电解液在存储、运输、生产过程中的成本。
附图说明
图1是本发明对比例1中石墨负极在循环三周后拆解纽扣电池进行的SEM测试图。
图2是本发明对比例3中石墨负极在循环三周后拆解纽扣电池进行的SEM测试图。
图3是本发明实施例4中石墨负极在循环三周后拆解纽扣电池进行的SEM测试图。
图4是本发明实施例4、对比例1和对比例3中电池在初始状态下的阻抗对比曲线趋。
图5是本发明实施例4、对比例1和对比例3中电池在循环三周后的阻抗对比曲线趋。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所用的原料，均可从市场购得。
实施例1
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.03g、EC为30.25g、EMC为36.82g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为1g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为3g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
实施例2
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.54g、EC为30.74g、EMC为37.82g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为1g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
实施例3
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.67g、EC为31.04g、EMC为38.26g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为1g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为0.1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
实施例4
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.92g、EC为30.64g、EMC为38.04g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为0.5g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
实施例5
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.04g、EC为30.92g、EMC为38.04g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为0.1g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
实施例6
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.12g、EC为30.92g、EMC为38.06g、DEC为13.40g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为0.5g、化合物B(三氧化硫三乙胺)为0.5g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
对比例1
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.98g、EC为30.87g、EMC为38.10g、DEC为14.55g，碳酸亚乙烯酯为1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯为1％、硫酸乙烯酯为2％。
对比例2
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为12.02g、EC为30.13g、EMC为37.80g、DEC为14.55g，化合物A(六亚甲基二异氰酸酯)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
对比例3
一种锂离子电池非水性电解液，以电解液质量为100g计，包含以下组分及含量：LiPF6为11.27g、EC为31.01g、EMC为37.32g、DEC为14.90g，化合物B(三氧化硫三乙胺)为1g、碳酸亚乙烯酯为1.5g、1,3-丙烷磺酸内酯为1g、硫酸乙烯酯2g。
将实施例1～6、对比例1～3的电解液，分别在50℃高温下存储5天、30天，电解液色度对比列为下表1：
表1.电解液色度对比
Figure BDA0003878486760000051
由表1可见，随着化合物A含量从高到低，色度逐渐增大，很明显看出化合物A对DTD在高温下分解导致的变色有良好的抑制作用以提高电解液稳定性。
将实施例1～6、对比例1～3的电解液，分别用于制造4.35V LiNi0.5Co0.2Mn0.3/人造石墨锂电池，锂电池性能对比列为下表2：
表2.锂电池性能对比
Figure BDA0003878486760000052
Figure BDA0003878486760000061
由表2可见，实施例1～6的电池性能明显优于对比例1～3，综合电解液稳定性和电池性能来看实施例4是最优方案。
另外，结合图1-5所示，本发明中化合物A是在六亚甲基的基础上引入异氰酸酯类基团，能在锂电池正、负电极表面形成很好的钝化膜，以很好地保护正、负电极表面，异氰酸酯可以消耗微量水分，与HF反应，抑制LiPF6水解产生的PF5，可以减少PF5对DTD的催化作用。当化合物A含量小于0.1％时，其在电极界面的SEI膜成膜效果较差，对电极表面起不到很好的保护作用，对PF5抑制作用不明显，当化合物A含量大于1％时候，异氰酸根(-N＝C＝O)与碳酸亚乙烯酯中的双键(-C＝C-)在低温下会发生化学反应，照成电池低温析锂严重，恶化低温放电容量。
本发明中化合物B作为改善化合物A低温性能的添加剂，其所硫氧化物能够先与碳酸亚乙烯酯双键反应，钝化活性，抑制异氰酸根的反应，减少对低温性能的影响。当化合物B含量小于0.1％时，抑制异氰酸根的效果不明显，当化合物B含量大于3％时，会增大电解液黏度，锂离子迁移会变得困难。
与现有技术相比，本发明通过化合物A、化合物B的共同作用，在不影响电池高温性能和低温性能前提下，有效地改善了DTD在高温下分解，降低了电解液在存储、运输、生产过程中的成本。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述锂离子电池非水解性电解液的原料包括：电解质、非水性有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯或硫酸乙烯酯中的一种或两种以上混合物；
所述化合物A的通式为：
Figure FDA0003878486750000011
其中，R1、R2为烷基CnH2n+1、烯基CnH2n、多烯基、芳香烃基、烷氧基或异氰酸酯的其中一种或多种，R1、R2中碳原子个数1≤n≤7；
所述化合物B的通式为：
Figure FDA0003878486750000012
其中，R1'为烷基CmH2m+1、烯基CmH2m、多烯基、芳香烃基、烷氧基、氟代烷氧基或硫氧化物中的一种或两种以上混合物；R1'中碳原子个数0≤m≤7；
以电解液质量以100％计，所述添加剂的含量占电解液的1.5％～5％。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，以电解液质量为100％计，所述化合物A占电解液的0.1％～1％、化合物B占电解液的0.1％～3％、碳酸亚乙烯酯占电解液的1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液的1％、硫酸乙烯酯占电解液的2％。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，以电解液质量为100％计，所述化合物A占电解液的0.1％～0.5％、化合物B占电解液的0.1％～1％、碳酸亚乙烯酯占电解液的1.5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液的1％、硫酸乙烯酯占电解液的2％。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述电解质包括六氟磷酸锂、双草酸硼酸酯锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟磺酰亚胺锂或双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种的组合，以电解液质量为100％计，所述电解质占电解液的10％～14.5％。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述非水性有机溶剂包括含EC、EMC、DEC、DMC、PC中的二种或者多种混合物，所述非水性有机溶剂占电解液的81.5％～83％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述的添加剂为化合物A、化合物B、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯与硫酸乙烯酯的组合物。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述化合物A为六亚甲基二异氰酸酯。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述化合物B为三氧化硫三乙胺。
9.根据权利要求4所述的锂离子电池非水解性电解液，其特征在于，所述电解质为LiPF6或LiFSI。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的锂离子电池非水解性电解液。
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