CN116154281A - 非水电解液及含有该非水电解液的高电压锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非水电解液及含有该非水电解液的高电压锂电池。为了解决现有含非水电解液的锂电池随电压升高，其高温性能及放电性能下降、安全性不好的问题，本发明提供一种非水电解液，其包括锂盐、有机溶剂和添加剂，添加剂包括结构通式
所示物质和含硼锂盐，其中，R1和R2相同，且R1和R2为亚烷基、氟代亚烷基、亚烷氧基或氟代亚烷氧基；R3和R4相同，且R3和R4为氢、烷基、烷氧基、氟代烷基或氟代烷氧基。本发明在保证锂电池在常规电压下的高温性能和循环性能的同时，在电压提高至4.5V甚至更高时，锂电池仍然具有优异的高温性能及放电性能，保证了高压锂电池的安全性能及电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种非水电解液及含有该非水电解液的高电压锂电池。
背景技术
随着手机、平板电脑、智能穿戴以及ETC等新兴消费领域的发展，锂离子电池凭其高能量密度和长循环寿命显现了极大优势。但随着相应设备功能的不断多样化，用电模块功耗的不断上升，常规的锂离子电池已经很难满足用户的使用需求。为提高用户使用体验，锂离子电池的发展方向已日渐明朗，即在安全的条件下尽可能地提高能量密度或者实现快速充电。为提高能量密度，行业目前主要从三个方面进行开发。一是寻求新的材料体系，如钴酸锂、富锂锰基、三元高镍等正极材料，硅碳等负极材料等；二是提高现有材料的截止充电电压，如4.4V以上钴酸锂电池，4.4V以上三元电池等；三是通过改变电池工艺，提高面密度和压实密度或使用更薄的集流体、胶带和铝塑壳等。另一方面，为了进一步缩短充电时间，尽快达到额定电量，快充型锂离子电池应运而生，从最开始的0.2C充电，到后来的2C充电，甚至5C充电。
在对体积能量密度要求高的数码领域，锂电池的设计思路是高电压钴酸锂&硅碳负极。商用钴酸锂的电压已经由最初的4.2V逐步提升到了4.48V，同时带来了一定负面效果，如材料表面由于存在悬挂键以及不饱和的配位关系会使其反应活性明显高于体相。当对钴酸锂电池充电时，会发生以下反应过程：(1)正极材料自表面开始脱锂；(2)脱锂发生后，Li层氧原子间失去阻隔产生排斥，导致表面结构不稳定；(3)持续脱锂促进表面晶格活性发生气体溢出；(4)溢出气体导致表面Co原子稳定性变差、溶解；(5)溶解的高价Co元素也会氧化电解液参与电解液化学反应。固液界面副反应是锂电池发展不可避免的问题，目前使用的非水有机电解液化学窗口通常低于4.4V，当充电截止电压高于4.4V时，电解液就会在电池表面发生氧化分解，这一过程导致电池容量急剧“跳水”。同时氧化分解的产物也覆盖在电极材料表面增加电池内阻。游离过渡金属元素催化表面副反应产物分界使电极材料维持高位活性状态带来隐患。
同时，随着SVHC清单越来越宽，后期很多含硫化合物都有可能被限制。在之前的研究中，我们开发了一种不含硫且具有优异的循环性能和高温储存性能的非水电解液及锂电池，详见专利CN112510259A。但是，随着研究的深入，我们发现当专利CN112510259A中锂电池的电压逐步升高至4.5V及以上时，高温性能以及放电性能出现下降，安全性能随之降低。
因此，有必要在专利CN112510259A的基础上，进一步提高电解液和锂电池的性能，在不使用含硫添加剂且具有优异的高温储存性能和循环性能的同时，还能够兼顾高电压条件下的高温性能和放电性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善锂电池在高电压下的高温性能和放电性能的非水电解液。
本发明的另一目的是提供一种含所述的非水电解液高电压锂电池。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种非水电解液，其包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述的添加剂包括添加剂A和添加剂B，
所述的添加剂B为含硼锂盐。
优选地，R1和R2选自碳原子数为1～3的亚烷基、氟代亚烷基、亚烷氧基或氟代亚烷氧基；R3和R4选自氢或碳原子数为1～5的烷基或氟代烷基。
优选地，R1和R2选自碳原子数为1～3的亚烷基，且R3和R4选自氢或碳原子数为1～5的烷基；或R1和R2选自碳原子数为1～3的亚烷氧基，且R3和R4选自氢或碳原子数为1～5的烷基。
根据一些实施方式，所述的添加剂A为庚-1，6-二炔-4-酮
碳酸二炔丙基酯/>
碳酸二(2-炔丁基)酯/>
碳酸二(3-炔丁基)酯/>
中的一种或多种。
优选地，所述的添加剂A的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～5％，进一步优选为0.1～3％，再进一步优选为0.3～2％。
进一步优选地，所述的添加剂B为二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、四硼酸锂、三苯基正丁基硼酸锂、三甲基咪唑鎓四氟硼酸锂中的一种或多种。
进一步优选地，所述的添加剂B的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～2％，进一步优选为0.1～2％，再进一步优选为0.5～1.5％。
进一步优选地，所述的添加剂A和所述的添加剂B的质量比为1:0.5～3。
优选地，所述的有机溶剂为环状酯和链状酯的混合物，所述的环状酯为γ-丁内酯(GBL)、碳酸酯乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种或多种；所述的链状酯为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲丙酯(MPC)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丙酯(PP)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、丁酸甲酯(MB)、丁酸乙酯(EB)、丁酸丙酯(PB)、氟代丙酸甲酯(FMP)、氟代丙酸丙酯、氟代丙酸乙酯、氟代乙酸乙酯、乙二醇单丙醚(EP)中的一种或多种。
进一步优选地，所述的有机溶剂为碳酸酯乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、乙二醇单丙醚(EP)和丙酸丙酯(PP)的混合物。
进一步优选地，碳酸酯乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、乙二醇单丙醚(EP)和丙酸丙酯(PP)的体积比为1～3:0.5～1.5:1～5:3～6。
优选地，所述的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、无水高氯酸锂(LiClO4)、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、二氟二草酸磷酸锂(LiPF2(C2O4)2)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)、二氟二草酸磷酸锂(LiPO8C4F2)、、双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)中的一种或多种。
优选地，所述的锂盐的浓度为0.8～1.5mol/L，进一步优选为1～1.5mol/L，再进一步优选为1～1.3mol/L。
优选地，所述的添加剂还包括其他添加剂，所述的其他添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、联苯、环己基苯、磷酸三辛酯、氟代碳酸乙烯酯、丁二腈、己二腈、1，3，6-己烷三腈，1,2-二(2-氰乙氧基)乙烷，1,4-二氰基-2-丁烯，1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷，癸二腈中的一种或多种。
优选地，所述的其他添加剂的质量为所述的非水电解液总质量的5～25％，进一步优选为5～20％。
一种高电压锂电池，包括正极、负极和电解液所述的电解液为所述的非水电解液。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过研究发现添加具有结构通式(1)所表示的羧酸酯衍生物添加剂和含硼锂盐添加剂，结合非水电解液中其他组分相协同配合，在保证锂电池在常规电压下的高温性能和循环性能的同时，在电压提高至4.5V甚至更高时，锂电池仍然具有优异的高温性能及放电性能，保证了高压锂电池的安全性能及电化学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在之前的研究中，我们开发了一种不含硫且具有优异的循环性能和高温储存性能的非水电解液及锂电池，详见专利CN112510259A。但是，随着研究的深入，我们发现当专利CN112510259A中锂电池的电压逐步升高至4.5V及以上时，高温性能以及放电性能出现下降，安全性能随之明显下降。
因此，有必要在专利CN112510259A的基础上，进一步提高电解液和锂电池的性能，在不使用含硫添加剂且具有优异的高温储存性能和循环性能的同时，还兼具在高电压下的优异的高温性能和放电性能。
发明人经大量的研究，提出一种非水电解液，其包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述的添加剂包括添加剂A和添加剂B，
所述的添加剂A为如下结构通式(1)所示物质中的一种或多种：
其中，R1和R2相同，且R1和R2为亚烷基、氟代亚烷基、亚烷氧基或氟代亚烷氧基；R3和R4相同，且R3和R4为氢、烷基、烷氧基、氟代烷基或氟代烷氧基；所述的添加剂B为含硼锂盐。
优选地，所述的添加剂A的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～5％。
优选地，所述的添加剂B的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～2％。
优选地，所述的有机溶剂为环状酯和链状酯的混合物。
优选地，所述的锂盐的浓度为0.8～1.5mol/L。
所述的添加剂还包括其他添加剂，所述的其他添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、联苯、环己基苯、磷酸三辛酯、氟代碳酸乙烯酯、丁二腈、己二腈、1，3，6-己烷三腈，1,2-二(2-氰乙氧基)乙烷，1,4-二氰基-2-丁烯，1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷，癸二腈中的一种或多种。
优选地，所述的其他添加剂的质量为所述的非水电解液总质量的5～15％。
通过选取合适的添加剂A和含硼锂盐作为添加剂，通过复配比例的调整以及与电解液中其他组分的优化，在高电压条件下，其高温性能以及放电性能得到明显改善，安全性更高。
以下实施例和对比例中所使用的试剂等可通过市售获得。
实施例1：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的庚-1，6-二炔-4-酮及0.5wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
实施例2：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的庚-1，6-二炔-4-酮及1wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
实施例3：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的庚-1，6-二炔-4-酮及1.5wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
实施例4：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯及0.5wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
实施例5：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯及0.5％wt的四氟硼酸锂，制得电解液。
实施例6：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯及0.5wt％的二草酸硼酸锂，制得电解液。
实施例7：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯及0.5wt％的三苯基正丁基硼酸锂，制得电解液。
实施例8：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯及0.5wt％的三甲基咪唑鎓四氟硼酸锂，制得电解液。
对比例1：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，制得电解液。
对比例2：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，制得电解液。
对比例3：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈及0.5wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
对比例4：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％乙酸丙炔酯及0.5wt％的二氟草酸硼酸锂，制得电解液。
对比例5：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.1wt％的庚-1，6-二炔-4-酮，制得电解液。
对比例6：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的庚-1，6-二炔-4-酮，制得电解液。
对比例7：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，1wt％的庚-1，6-二炔-4-酮，制得电解液。
对比例8：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，2wt％的庚-1，6-二炔-4-酮，制得电解液。
对比例9：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二炔丙基酯，制得电解液。
对比例10：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二(2-炔丁基)酯，制得电解液。
对比例11：
在充氩气的手套箱中(H2O含量<10ppm)，将EC、PC、EP和PP以2:1:3:4的体积比混合均匀，在混合溶液中加入1.2mol/L的LiPF6，然后向该电解液中分别添加2wt％的丁二腈、4wt％的氟代碳酸乙烯酯、3wt％的1，3，6-己烷三腈，0.5wt％的碳酸二(3-炔丁基)酯，制得电解液。
将上述实施例1至实施例8以及下述对比例1至对比例11配制的电解液，分别在4.5V钴酸锂石墨电池中测试85℃高温搁置4小时容量保持率，即，在25℃的恒定电流/恒定电压(CC/CV)条件下以1C充电到4.5V，后在85℃的烘箱中搁置4小时；搁置后分别1C放电至3.0V的容量除以搁置前以同样条件充电后再1C放电至3.0V的容量；85℃高温搁置4小时电池鼓胀率，即搁置后电池厚度与搁置前电池厚度差值除以搁置前电池厚度；45℃200周循环容量保持率和50％SCO、2C10s的DCR，相关实验数据见表1。
表1
对比实施例1～8与对比例1～3，在电解液中仅添加含硼锂盐、羧酸酯衍生物添加剂或现有常规添加剂的组合物时，相比未添加任何添加剂的电解液，其高温性能及放电性能虽有所改善，但明显不能满足高压锂电池的使用要求；对比例4将羧酸酯衍生物添加剂乙酸丙炔酯与含硼锂盐添加剂联用，相比对比例3，在高电压条件下，电池性能反而下降，实施例1～8使用特定结构的羧酸酯衍生物添加剂与含硼锂盐添加剂及现有常规添加剂组合，制得的锂电池在4.5V条件下，85℃高温搁置4H电池鼓胀率(％)及50％SCO、2C10s的DCR下降，说明高温性能和放电性能得到改善，安全性能随之提高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非水电解液，其包括锂盐、有机溶剂和添加剂，其特征在于，所述的添加剂包括添加剂A和添加剂B，
所述的添加剂A为如下结构通式(1)所示物质中的一种或多种：
其中，R1和R2相同，且R1和R2为亚烷基、氟代亚烷基、亚烷氧基或氟代亚烷氧基；R3和R4相同，且R3和R4为氢、烷基、烷氧基、氟代烷基或氟代烷氧基；
所述的添加剂B为含硼锂盐。
2.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，R1和R2选自碳原子数为1～3的亚烷基、氟代亚烷基、亚烷氧基或氟代亚烷氧基；R3和R4选自氢或碳原子数为1～5的烷基或氟代烷基。
3.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的添加剂A为庚-1，6-二炔-4-酮、碳酸二炔丙基酯、碳酸二(2-炔丁基)酯、碳酸二(3-炔丁基)酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的添加剂A的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～5％。
5.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的添加剂B的质量为所述的非水电解液总质量的0.01～2％。
6.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的添加剂B为二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、四硼酸锂、三苯基正丁基硼酸锂、三甲基咪唑鎓四氟硼酸锂中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的有机溶剂为环状酯和链状酯的混合物，所述的环状酯为γ-丁内酯、碳酸酯乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；所述的链状酯为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丙酯、氟代丙酸甲酯、氟代丙酸乙酯、氟代乙酸乙酯、乙二醇单丙醚中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述的锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂、二氟二草酸磷酸锂、二氟磷酸锂、三氟甲基磺酸锂、二氟二草酸磷酸锂、单草酸双氟硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂中的一种或多种；
和/或，所述的锂盐的浓度为0.8～1.5mol/L。
9.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于：所述的添加剂还包括其他添加剂，所述的其他添加剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、联苯、环己基苯、磷酸三辛酯、氟代碳酸乙烯酯、丁二腈、己二腈、1，3，6-己烷三腈、1,2-二(2-氰乙氧基)乙烷、1,4-二氰基-2-丁烯，1,2,3-三(2-氰基乙氧基)丙烷，癸二腈中的一种或多种；
和/或，所述的其他添加剂的质量为所述的非水电解液总质量的5～25％。
10.一种高电压锂电池，包括正极、负极和电解液，其特征在于：所述的电解液为权利要求1至9中任一项所述的非水电解液。
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