TWI511347B - Electrolyte and its electrochemical device with Si additive - Google Patents

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Yi Fang Jung
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Description

具有Si類添加劑之電解液及其電化學裝置
本發明主要係為一種用於電化學裝置之電解液中的添加劑，更特別的是關於一種用於電化學裝置之電解液中的Si類添加劑，藉由少量的添加改質將其電化學裝置(鋰離子電池)效能提高。
目前石油能源危機，環保概念與能源節約成為全球矚目的焦點，而鋰離子電池(Lithium ion battery)具有體積小、重量輕、能量密度高、且可重複充放電等優點，因此鋰離子電池已廣泛應用於3C產品、電動工具、電動機車等高功率的產品上，且目前全球許多國家也積極發展低污染與低(零)油耗的電動車。而未來鋰離子電池發展將朝著降低成本，提高能量密度和安全性方向發展。
鋰離子電池主要分為正極、負極、電解液三大部分。鋰離子電池的運作是利用鋰(Li)離子在正負兩個電極的層間化合物當中進行嵌入與嵌出的動作，進而完成充放電反應，充電時電子由外部電源進入負極的碳材料，而正極材料的鋰離子同時離開，經由電解液進入負極。鋰離子電池的正、負極是由具有可逆的崁入鋰離子的材料所構成。正極為鋰金屬化合物材料，負極為碳材料，而電解液部分是由電解質與溶劑、添加劑所形成。
電池的充放電化學反應如下：
正極反應：
負極反應：
全電池反應：
其中，M為金屬元素；鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)。
在電池中電解液主要扮演離子傳輸的角色，電解液與電極會在電極表面反應形成固液界面膜(Solid Electrolyte Interface；SEI)，而影響此固液界面膜(SEI)的組成與結構主要是，選擇的溶劑、鋰鹽種類、溫度、正負極活性材料的種類、表面特性與結晶性，或是添加劑的加入會有所不同。因此可以透過電解液及添加劑的配合，改善固液界面膜的組成、結構與化性，並提高電池循環壽命與耐溫特性。因此許多文獻及專利都曾研究並找尋出對於離鋰子電池具有功效之添加劑。
美國專利(US6416906 B1)2002年W.Novis Smith所揭示是以Si類相關結構(R’O)n SiR4-n 添加於有機電解液中，藉由添加微量Si類添加劑檢測電解液中氫氟酸(HF)含量，如第一表所示，可發現確實有效降低電池中氫氟酸(HF)的含量。
文獻2008年Q. Xia等人所揭示的是以Phenyl tris-2-methoxydiethoxy silane(PTMS)做為添加劑，添加於PC:DMC電解液中，並測試其化成及循環壽命。可以發現Phenyl tris-2-methoxydiethoxy silane(PTMS)添加於電池中在化成時形成一穩定固液界面膜(SEI)使電池之電化學穩定性並具有好的循環特性，如第一圖與第二圖所示，並在第一次放電量達323mAh/g。
文獻2011年Mariusz Walkowiak，等人所揭示是以1,1,3,3-tetramethyl-1,3-bis(3-(ω-hexadecyloxy-deca(ethyl enoxy)propyl)disiloxane修飾於石墨碳材表面，並將其測試於碳酸乙烯酯(PC)電解液中，測試其電化學特性及化成表現，如第三圖所示，可以發現修飾的1,1,3,3-tetramethyl-1,3-bis(3-(ω-hexadecyloxy-deca(ethyl enoxy)propyl)disiloxane能夠保護其石墨材於碳酸乙烯酯(PC)電解液中不因共嵌入造成的石墨崩解現象。
結構式
文獻及專利中已將含Si化合物運用於鋰離子電池中，做為添加劑的使用、或高分子形式修飾於碳材上或將其添加於電解液中降低氫氟酸(HF)等...。可見含Si之化合物在鋰離子電池中具特定功效，本發明主要挑選Si之化合物中含有環狀及雙鍵能幫助固液界面膜(SEI)成模之官能基，並將其一系列之結構做為添加劑，運用於鋰離子電池中。此外此類添加劑成本遠低於目前市售之添加劑碳酸亞乙烯酯(Vinylene carbonate；VC)、丙烷磺內酯(Propane sultone；PS)...，將其運用於負極材石墨上不僅能形成穩定之固液界面膜(SEI)還具有良好之電容量及循環壽命並在高溫正極磷酸鋰鐵(LiFePO4 )測試下都具有良好電性表現。
鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上特別之需求，本發明提供一種具有Si類添加劑之電解液及其電化學裝置可用以解決上述傳統技藝未能達成之標的。
本發明之一目的提供一種具有Si類添加劑之電解液，本發明希望在不增加製程複雜度下，有效改善鋰離子電池在室溫時石墨之循環特性，並藉由生成之穩定固液界面膜(SEI)保護石墨崩解之缺陷。其係本發明使用一種添加量少、電化學穩定性高，且利於改善鋰離子電池循環性能之電解液添加劑來完成。本發明所用之電解液包含一種新穎之Si類添加劑，藉由該添加劑之使用，係可改善傳統鋰離子電池循環壽命之表現並提高電池電性。
為達上述目的，本發明係提供一種用於電化學裝置之電解液，其包含：10.0~20.0wt%之一電解質；80.0~89.8wt%之有機溶劑；及0.05~10.00wt%之添加劑，其中該添加劑包含如化學式(I)所示之化合物：
其中R可以為氫烷基、脂環族、芳香族、雜環，碳數可以C1~C10。R上必具有雙鍵或環狀結構。
於一較佳實施態樣中，該電解質之含量為11.0~12.0wt%；該添加劑之含量為0.25~5.0wt%；該電解質為六氟磷酸鋰(LiPF6 )、氟硼酸鋰(LiBF4 )、雙三氟甲基磺醯亞胺鋰(LiN(CF3 SO2 )2 )、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3 SO3 )或其組合。
於一較佳實施態樣中，該非水系溶劑為碳酸酯類(碳酸二乙酯(DEC).碳酸二甲酯(DMC).碳酸甲乙酯(EMC).碳酸乙烯酯(EC).碳酸丙烯酯(PC))、呋喃類、醚類、硫醚類、腈類或其組合。
於一較佳實施態樣中，該化合物(I)為：
本發明提供一種提升電化學裝置(鋰離子電池)之循環特性之方法，其係將包含化學式(I)所示之化合物之添加劑加至電化學裝置中之電解液中。
本發明在此所探討的方向為用於電化學裝置之電解液，為了能徹底地瞭解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的結構及其元件與方法步驟。顯然地，本發明的施行並未限定於電化學之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構及其元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。此外，為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本發明範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
本發明用於電化學裝置之電解液，其包含：10.0~20.0wt%之一電解質；80.0~89.8wt%之非水系溶劑；及0.05~10.00wt%之添加劑，其中該添加劑包含如化學式(I)所示之化合物：
其中R可以為氫烷基、脂環族、芳香族、雜環，碳數可以C1~C10。R上必具有雙鍵或環狀結構。
本發明之化學式(I)之化合物具體而言可為：
本發明之電解液中，各成分之用量係可依實際應用而更改，但該電解質之含量較佳為11.0~12.0wt%；該添加劑之含量較佳為0.25~5.0wt%；該溶劑之含量較佳為83.0~88.75wt%。
本發明所適用的電解質為本領域中常用之六氟磷酸鋰(LiPF6 )、氟硼酸鋰(LiBF4 )、雙三氟甲基磺醯亞胺鋰(LiN(CF3 SO2 )2 )、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3 SO3 )等鋰鹽、或其組合，其中較佳係選擇自六氟磷鋰(LiPF6 )。
而本發明電解液中之非水系溶劑，其型態上係可呈固狀、凝膠，或液狀，但並不限於此。就液狀的非水系溶劑方面，可選擇本領域常使用者，例如：碳酸酯類(如：碳酸乙烯酯EC(ethylene carbonate)、碳酸丙烯酯PC(propylene carbonate)、碳酸二甲酯DMC(dimethyl carbonate)、碳酸二乙酯DEC(diethyl carbonate)、或碳酸甲乙酯EMC(methylethyl carbonate))、呋喃類(如：四氫呋喃)、醚類(如：二乙醚(diethyl ether))、硫醚類(如：甲基環丁碸(methyl-sulfolane))、腈類(如：乙腈、丙腈)，或其組合。
本發明之電解液則可以藉由將電解質及添加劑溶於上述之液狀非水系溶劑而獲得，抑或將電解質及添加劑分別溶於液狀非水系溶劑後再混合而得。
本發明利用於鋰離子電池之正極極片、負極極片。正極材料主要原料為鋰的過渡金屬氧化物，例如：可分為使用三元系層狀材料(LiN1-xM1-y C1-z O2 ,N:Ni,M:Mn,C:Co)、鈷酸鋰(LiCoO2 )，到以鋰錳氧化物(LiMn2 O4 )為代表之尖晶石(Spinel)系材料鋰錳氧化物(LiM2 O4 )以及以磷酸鐵鋰(LiFePO4 )為代表之livin橄欖系材料磷酸鋰鐵(LiMPO4 )；負極的部份則仍是以碳材料為主例如：石墨。而本發明中的選擇正極為磷酸鐵鋰(LiFePO4 )，負極的部份則以石墨為主。
就上述黏合劑方面，黏合劑可選用氟系聚合物，業界常用者為聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride，簡稱PVDF)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)、聚烯類(業界常用者為聚乙烯(Polyethylene，簡稱PE)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，簡稱PVA)、苯乙烯-丁二烯橡膠(Styrene-butadiene rubber，簡稱SBR))，或纖維素類，(業界常用者為碳酸甲基纖維素(Carboxymethylcellulose))，亦可為此等混合併用。
就上述溶劑方面。一般可以是水、N-甲基吡咯烷酮(N-methyl pyrrolidone)、二甲基甲醯胺(dimethylformamide)、醇類(如：乙醇、異丙醇)、或此等溶劑混用，其中，特別是水及N-甲基吡咯烷酮，尤其是N-甲基吡咯烷酮，最常被使用。
就上述集電材方面，正極選用鋁等材質，負極為銅箔形狀方面並未加以限定，通常是呈薄態，例如箔狀、網狀等；就其尺寸(例如長度、寬度、厚度、使用重量等)，則是依所欲製出的負極極片大小而定，厚度則以5～20μm為較佳。
隔離膜主要作用是絕緣、防止電池短路而提昇安全性，並使離子於正負極極片之間穿越。適用於本發明的隔離膜，在型態上並沒有特別限定，例如一般本領域實務上常採用的不織布或多孔性薄膜等固體型態，或者是凝膠態等皆可；材質方面則主要是聚烯烴類高分子化合物(polyolefine)，特別是聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)，或聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)等混合物，其中以聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)之材質較為普遍。
如前所述，本發明之重點是藉由矽類添加劑來改善傳統鋰離子電池循環特性不佳之缺失。藉由添加其係包含化學式(I)所示之化合物之添加劑加至鋰離子電池之電解液中。
於添加如化學式(I)所示之化合物添加劑前，該鋰離子電池之電解液之電解質濃度較佳為0.1～1.5M，更佳為0.9~1.2 M。
該添加劑可直接添加至電解液中，或先分散於非水系溶劑後，再添加至電解液中。一般來說，添加劑以之濃度0.25~5.0wt%添加為佳。
本發明之技術性已敘述於發明說明中，其他材料與配方屬於習知技藝，本領域熟知該項技藝者當可輕易實施本發明。以下將藉由實施例的方式例示本發明之特徵與優點。
實施例：
[電解液之製備]：
化學藥品：
1.　碳酸丙烯酯(propylene carbonate,PC)：由Aldrich公司製造，純度為99%。
2.　碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate，DMC)：由Aldrich公司製公司，純度為99%。
3.　電解質(LiPF6 )：由Merck公司製造，純度為99%。
4.　矽類添加劑：由Aldrich公司製造。
5.　配製方法：
以相同的重量比將碳酸乙烯酯(PC)加入碳酸二甲酯(DMC)中溶解混合，之後以重量莫爾濃度計算，加入11.8 wt%的六氟磷鋰(LiPF6 )之電解質於碳酸乙烯酯(PC)和碳酸二甲酯(DMC)混合溶液(1：2)中，利用磁石加以攪拌溶解混合。此未添加添加劑之基底我們標為Blank(無添加劑)。
接續在含水率及含氧量皆低於10 ppm的手套箱中，取0.20g(2w%)之添加劑3-(Trimethoxysilyl)propyl Methacrylate，(簡稱TSPM)將此添加劑與9.8克之Blank電解液混合均勻，配製成TSPM含量為2wt%之電解液，此為本發明之電解液，並以該電解液作為實施例1。
實施例2~4以相同方法配製，其差異之處僅在於添加劑之種類，各實施例所用之添加劑之結構及簡稱係列於前述第二表中。
[鋰離子二次電池之製備]：
材料：
1.　負極極片：
(1)　導電材料：導電碳，碳黑型號為Super S：比利時TIMCAL公司
(2)　溶劑：N-甲基-2-四氫吡咯酮(NMP,C5 H9 NO)，Aldrich
(3)　黏合劑：聚偏氟乙烯(PVDF)，聚偏二氟乙烯：Solef 6020分子量大約為304,000。
(4)　草酸：純度為99.0%。昭和化學株式會社
(5)　集電材：銅箔(Nippon foil)，厚度為15μm。
2.　其他電池部件：
(1)　上殼蓋與下殼蓋：由浩聚實業有限公司製造。
(2)　彈簧墊片：由浩聚實業有限公司製造。
(3)　圓形墊片：由浩聚實業有限公司製造。
(4)　隔離膜：聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)材質。
(5)　鋰金屬(Li,Size 0.0079 X 2.000,99.9%)：美國FMC公司
3.　電解液：
(1)　實施例1~4及Blank(無添加劑)之電解液。
製備方法：
負極極片
首先依90：3：6.9：0.1之比例分別秤取天然石墨碳材粉末、碳黑、聚偏氟乙烯(PVDF)、以及草酸，碳黑在此功用是促進電子的傳導，聚偏氟乙烯(PVDF)則作為黏著劑。而草酸的添加目的是為了防止聚偏氟乙烯(PVDF)中的氟離子析出。
實驗程序：
1.　先秤取6.9 g聚偏氟乙烯(PVDF)與0.1 g草酸，溶解於93 g NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶劑中，配製成100g的黏著劑備用。
2.　秤取45 g已修飾錫之NG碳材與1.5 g碳黑，做均勻攪拌混合。
3.　秤取50 g的黏著劑置於燒杯中，並架置好攪拌機。然後將混合好的粉料緩慢加入燒杯中加以攪拌。
4.　攪拌機之攪拌時間、速度設定為：快攪(10分鐘2200 rpm)、中攪(30分鐘600 rpm)、慢攪(120分鐘80 rpm)。
5.　將均勻攪拌好之漿料以機械塗佈於銅箔上，並用200 μm之刮刀，將漿料刮平之。
6.　製作好的極片放入烘箱中，以110℃烘乾1.5 hr，去除殘留溶劑。
7.　烘乾好的極片，以碾壓機壓至原極片厚度之70~80%之後，各負極極片分別預備如前述之電池部件與電解液，並在一其水氧含量為10 ppm以下且設置有一電池封蓋機的手套箱內來進行組裝，於電池組裝過程中加入該電解液，另以該電池封蓋機來封蓋(以確保其封閉性)，而分別獲得待測試之硬幣型鋰離子二次電池。
[功效測試]：
對以各實施例及比較例之電解液製備而成的鋰離子二次電池分別進行以下所述之各項功效測試。
[初期充/放電測試]
藉由充放電測試機，以0.1C的電流，對各鋰離子二次電池以0.1C的電流，對電池進行定電流充電，至儀器上顯示該電池電路電壓到達2.0 V為止，獲得該電池之第一次充電電容量數值。5分鐘後，以0.1C的電流，對電池進行定電流放電至電路電壓到達0.002 V為止，獲得該電池之第一次放電電容量數值，繼而以下公式計算各電池之電容量不可逆百分比。
由各實施例/比較例所獲得之電容量不可逆百分比及充/放電容量(單位為mAh g - 1 )，皆列於第三表。第四A圖至第四D圖則為鋰離子二次電池第一圈的化成表現。
第四A圖至第四D圖：Si類電解液添加劑2%於天然石墨碳材之初次充放電測試圖電壓範圍：1.8~0V，電流：0.1C，電解液：碳酸乙烯酯(PC)/碳酸二甲酯(DMC)=1：2含1M六氟磷酸鋰(LiPF6)循環次數：五十次，溫度：室溫。
第五圖：電解液添加劑2%於天然石墨碳材之循環壽命測試圖，電壓範圍：1.8~0V，電流：0.1C，電解液：碳酸乙烯酯(PC)/碳酸二甲酯(DMC)=1：2含1M六氟磷酸鋰(LiPF6)循環次數：四十次，溫度：室溫。
[結果]：
藉由以上實施例的測試結果，在第三表及第五圖中顯示，本發明配方所配製的電解液，在其電化學性能的改善極電性表現而言是普遍有所提升的。本發明所添加的一系列Si添加劑矽烷三醇(RSi(OCH3 )3 )於負極材料之電化學及電池特性測試，利用少量添加劑與電解液改質固液界面膜(SEI)結構及組成。在電池測試中添加劑及電解液於負極石墨碳材料上形成一穩定固液界面膜(SEI)，在電解液碳酸乙烯酯(PC)：碳酸二甲酯(DMC)=1:2的系統中保護碳材不因碳酸乙烯酯(PC)共嵌入碳材，而造成碳材崩解。添加劑GTOS的功效可使電容量可達315 mAh/g，於40次循環後依然維持290mAh/g；添加劑TSPM的功效可使電容量可達372 mAh/g，於40次循環後依然維持338mAh/g。
綜合以上，本發明係將矽類添加劑，添加於電化學裝置(如：鋰離子電池)所使用之電解液(如：1M六氟磷酸鋰(LiPF6 )碳酸乙烯酯(PC)/碳酸二甲酯(DMC)(1:2))中，並選擇搭配如石墨之負極材料，將其組裝成硬幣型電池，在室溫下進行循環壽命測試。由實驗結果發現，在電解液中矽類添加劑，確實可改善石墨負極之循環特性。
其它實施態樣
所有揭露於本發明書之特徵可使用任何方式結合。本說明書所揭露之特徵可使用相同、相等或相似目的的特徵取代。因此，除了特別陳述強調處之外，本說明書所揭露之特徵係為一系列相等或相似特徵中的一個實施例。
顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正與差異。因此需在其附加的權利請求項之範圍內加以理解，除上述詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範圍內。
第一圖係為先前技術以Phenyl tris-2-methoxydiethoxy silane做為添加劑，添加於碳酸乙烯酯(PC)：碳酸二甲酯(DMC)電解液中之化成測試；
第二圖係為先前技術以Phenyl tris-2-methoxydiethoxy silane添加於碳酸乙烯酯(PC)：碳酸二甲酯(DMC)電解液中之循環壽命測試；
第三圖係為先前技術中藉由以1,1,3,3-tetramethyl-1,3-bis(3-(ω-hexadecyloxy-deca(ethyle noxy)propyl)disiloxane修飾石墨碳材表面，並將其測試於碳酸乙烯酯(PC)電解液中測試其電化學特性及化成表現；
第四A圖至第四D圖係本發明之實施例所用之Si類電解液添加劑2%於天然石墨碳材之初次充放電測試曲線圖，說明實施例在1C放電時電容量和電壓關係圖；與
第五圖係本發明實施例之循環壽命測試圖，說明實施例於室溫下0.1C速率進行55圈充放電時，各次獲得的放電電容量值，其中各標記所代表之實施例請參照第二表。

Claims (9)

  1. 一種用於電化學裝置之電解液，該用於電化學裝置之電解液包含：一電解質，該電解質之重量百分比為10.0~20.0wt%；一非水系溶劑，該非水系溶劑之重量百分比為80.0~89.8wt%；及一添加劑，該添加劑為0.05~10.00wt%，其中，該添加劑包含一Si化合物，其中上述之Si化合物選自下列組成之一或其組合：
  2. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之電解質之含量為11.0~12.0wt%。
  3. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之添加劑之含量為0.25~5.0wt%。
  4. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之電解質選自下列組成之一或其組合：六氟磷酸鋰(LiPF6 )、氟硼酸鋰(LiBF4 )、雙三氟甲基磺醯亞胺鋰(LiN(CF3 SO2 )2 )、三氟甲基磺酸鋰(LiCF3 SO3 )。
  5. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之非水系溶劑選自下列組成之一或其組合：碳酸酯類(碳酸二乙酯(DEC).碳酸二甲酯(DMC).碳酸甲乙酯(EMC).碳酸乙烯酯(EC).碳酸丙烯酯(PC))、呋喃類、醚類、硫醚類、腈類。
  6. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之R可選自下列組成之一或其組合：氫烷基、脂環族、芳香族、雜環等。
  7. 根據申請專利範圍第1項之用於電化學裝置之電解液，其中上述之R碳數可為C1~C10。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於電化學裝置之電解液，該電化學裝置更包含一正極與一負極。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於電化學裝置之電解 液，該電解液之形成方法包含：以相同的重量比將碳酸乙烯酯(PC)加入碳酸二甲酯(DMC)中溶解混合；加入六氟磷酸鋰(LiPF6 )之電解質於碳酸乙烯酯(PC)和碳酸二甲酯(DMC)混合溶液中溶解混合以形成第一電解液；與取該Si化合物(I)為添加劑與該第一電解液混合均勻以形成該用於電化學裝置之電解液。
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