CN118352637A - 一种硅基圆柱锂离子电池电解液和含该电解液的硅基圆柱锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种硅基圆柱锂离子电池电解液和含该电解液的硅基圆柱锂离子电池。本发明所述硅基圆柱锂离子电池电解液中包含锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂结构如式Ⅰ所示：其中，R1、R2、R3选自氢原子、取代或未取代的烷基，X为N、O或S。本发明电解液中式Ⅰ结构添加剂含NHC结构，NHC片段很容易参与CEI和SEI的形成，且可以很好的络合镍离子，可以进一步改善界面膜的结构稳定性，实现较好的高低温性能，且在提高锂离子迁移率的同时，能够改善锂离子电池的储存性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体是涉及一种硅基圆柱锂离子电池电解液和含该电解液的硅基圆柱锂离子电池。
背景技术
锂离子电池由于具有高比能量、无记忆效应、循环寿命长等优点被广泛应用于3C数码、电动工具、航天、储能、动力汽车等领域，当前电子信息技术及消费产品的快速发展对锂离子电池能量密度性能提出了更高的要求。商业化的锂离子电池主要以石墨为负极材料，石墨的最大理论比容量仅372mAh/g，纯硅基负极理论克容量可达4200mAh/g。当前锂离子电池的能量密度下限主要取决于正极材料，一般而言，其中镍元素占比越高，正极材料的克容量越高。
富镍NCM正极材料会发生明显的相变，晶胞参数急剧下降，这将导致富镍NCM颗粒发生剧烈的应力变化并形成裂纹。颗粒的这种粉碎使得初级颗粒之间的导电性差，进一步促进了阴极颗粒与电解质之间的不良反应。其次，在带电状态下，Ni4+将沿锂扩散通道从体相迁移到表面，最终与电解质反应生成NiO，NiO由于离子半径相近(Li+为Ni2+为)，占据和置换Li+位，导致层间阳离子扰动，从而形成电化学惰性岩盐相(NiO)，它会导致Li+离子的迁移路径受阻，影响速率性能。为解决上述问题，开发与之相匹配的电解液是产业化发展的必然需求。常规电解液体系在高镍三元正极材料表面形成的CEI膜不稳定，很容易由于充放电过程中的相变效应而发生CEI破损与脱落，导致电池容量迅速衰减，对于高镍三元正极材料电解液的开发目前主要集中在形成稳定的CEI等物理阻隔的方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种硅基圆柱锂离子电池电解液和含该电解液的硅基圆柱锂离子电池。本发明的电解液中包含式Ⅰ结构的添加剂，该添加剂含NHC结构，NHC片段很容易参与CEI和SEI的形成，且可以很好的络合镍离子，可以进一步改善界面膜的结构稳定性，实现较好的高低温性能，且在提高锂离子迁移率的同时，能够改善锂离子电池的储存性能。
为达到本发明的目的，本发明的硅基圆柱锂离子电池电解液中包含锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂结构如式Ⅰ所示：
其中，R1、R2、R3选自氢原子、取代或未取代的烷基，X为N、O或S。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述添加剂在电解液中的质量占比为1-5％。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述锂盐选自六氟磷酸锂、四氰硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、三氟甲基磺酰亚胺锂和氟烷基膦酸锂中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述锂盐为六氟磷酸锂。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述锂盐在电解液中的浓度为0.8-1.5mol/L。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丁烯酯中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的混合溶剂。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的质量比为2-4：2-4：3-5。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述有机溶剂的体积含量占电解液总体积的25-50％。
另一方面，本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池中包含本发明前述硅基圆柱锂离子电池电解液。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述锂离子电池为硅基圆柱锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明的电解液中含式Ⅰ结构所示的添加剂，该添加剂含NHC结构，NHC片段很容易参与CEI和SEI的形成，且可以很好的络合镍离子，可以进一步改善界面膜的结构稳定性，实现较好的高低温性能，且在提高锂离子迁移率的同时，能够改善锂离子电池的储存性能。
(2)本发明的电解液应用在锂离子电池中，使得锂离子电池具有良好的防过充性能，大幅度提高了电池的安全性能。
附图说明
图1是本发明式Ⅰ所示添加剂络合镍离子示意图；
图2是本发明实施例1-2制备的电池与对比例1制备的电池过充性能对比图；
图3是本发明实施例1-2制备的电池与对比例1制备的电池在2.5V-4.2V电压窗口的电池常温循环性能测试结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。
此外，下面所描述的术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例。而且，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。
实施例1
1.1硅基圆柱锂离子电池电解液
本实施例的锂离子电池非水电解液由有机溶剂、六氟磷酸锂和锂离子电池添加剂组成。其中，电解液中添加剂的质量分数为3％，锂盐化合物的浓度为1mol/L，有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的混合溶剂，其中碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的质量比为3：3：4，所述添加剂的结构如下所示：
1.2正极片的制备：
将三元材料NCM、导电剂SuperP、粘接剂PVDF和碳纳米管(CNT)按质量比96.5：1.5：1：1混合均匀制成一定粘度的锂离子电池正极浆料，涂布在集流体用铝箔上，在85℃下烘干后进行冷压；然后进行切边、裁片、分条，分条后在真空条件下85℃烘干4h，焊接极耳，制成满足要求的锂离子电池正极片。
1.3负极片的制备：
将人造石墨和硅按质量比90：10混合后，与导电剂SuperP、增稠剂CMC、粘接剂SBR(丁苯橡胶乳液)按质量比95：1.5：1.0：2.5的比例制成浆料，混合均匀，用混制的浆料涂布在铜箔的两面后，烘干、辊压后得到负极片，制成满足要求的锂离子电池负极片。
1.4锂离子电池的制备：
将根据上述工艺制备的正极片、负极片和隔膜经圆柱工艺制作成18650的锂离子电池，在75℃下真空烘烤10h，注入上述电解液。静置24h后，进行电化学性能测试。
实施例2
本实施例中将电解液添加剂替换为以下结构所示添加剂：
其他与实施例1相同，制备锂离子电池，进行电化学性能测试。
对比例1
除了电解液中不添加任何添加剂外，其他都与实施例1相同，制备锂离子电池，进行电化学性能测试。
电化学性能测试
过充测试：将电池充满电后，以1C恒流充电至电压达到10V后停止充电，监测电芯在过程中的温度变化。
常温循环性能测试：在常温(25℃)条件下，对锂离子电池进行一次4A/20A充电和放电(电池放电容量为C0)，上限电压为4.2V，然后在常温条件下进行4A/20A充电和放电80周。
图1为式Ⅰ结构的作用机理。式Ⅰ结构通过络合溶出的镍离子，防止了镍离子在负极的沉积，从而减少了正极活性物质的损失。
图2为实施例1，实施例2，对比例1的过充性能图。使用了添加剂的实施例1，2的过充性能明显优于对比例1的过充性能，证明了含有式Ⅰ结构添加剂对过充性能的改善。
图3为实施例1，实施例2，对比例1的常温循环性能图。经过80圈循环后，实施例1，实施例2的循环性能明显优于对比例1的循环性能，证明了含有式Ⅰ结构添加剂对循环性能的改善。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的部分实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述硅基圆柱锂离子电池电解液中包含锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂结构如式Ⅰ所示：
其中，R1、R2、R3选自氢原子、取代或未取代的烷基，X为N、O或S。
2.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述添加剂在电解液中的质量占比为1-5％。
3.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐选自六氟磷酸锂、四氰硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、三氟甲基磺酰亚胺锂和氟烷基膦酸锂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐为六氟磷酸锂。
5.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐在电解液中的浓度为0.8-1.5mol/L。
6.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸丁烯酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的混合溶剂。
8.根据权利要求7所述的硅基圆柱锂离子电池电解液，其特征在于，所述碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯的质量比为2-4：2-4：3-5；优选地，所述有机溶剂的体积含量占电解液总体积的25-50％。
9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池中包含权利要求1-8任一项所述的硅基圆柱锂离子电池电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池为硅基圆柱锂离子电池。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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