CN106169609A - 一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池 - Google Patents

一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池，包括锂盐、非水溶剂、成膜添加剂、除水剂，所述锂盐化学通式如下：式中，R1、R2和R3为碳原子数为1‑12的烷基、烷氧基羰基、烷基磺酰基、烯基和卤素原子中的任意一种。电解液通过用新型锂盐、成膜添加剂及除水剂的协同作用，抑制磷酸铁锰锂吸水造成的电解液分解产气和三元材料的金属离子析出对电池高温性能的影响。使用该电解液的三元混磷酸铁锰锂电池表现出良好的高温循环性能和高温储存性能，高温性能得到提高,提高了高低温稳定性能，解决了其高低温安全性问题，拓宽了锂离子电池的应用范围，增强了产品的竞争力。

Description

一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池
技术领域
本发明属于电池测试设备技术领域，具体涉及一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池。
背景技术
由于锂离子二次电池有着比较高的能量密度、自放电小、无记忆效应、长的循环寿命和对环境友好等优点，被广泛的运用在各种便携式电子产品和通信工具上。近年来，汽车工业的迅速发展同时也加剧了能源和环境的危机。据统计，大气污染的63％来自于燃油汽车，这就促使国家加大对电动汽车和混合动力车的研发。而锂离子二次电池在电动汽车和储能设备上将具有很重要的应用前景。
目前，锂离子电池正极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物以及镍钴锰三元材料。其中，镍钴锰三元材料由于其较高的能量密度受到人们的青睐，但是三元材料在安全性上存在一定的问题。同时研究发现，锂电池充电时电解液中的溶剂在正极发生氧化分解，分解产物阻碍了电池所希望的电化学反应，因此导致电池性能下降。此外，反复充放电期间，电解液中的溶剂在石墨负极的还原分解也会引起电池性能的下降，尤其对于高电压镍锰、三元等材料的电解液氧化分解更严重，导致的安全隐患更大。
锂离子电池非水电解液主要是由电解质锂盐溶解在有机溶剂中形成的。常规的锂电池电解液，电导率、循环和高温性能一般，当对电池产品的高低温性能提出更高要求时，常规电解液材料不能使其电池材料功能最优化。
专利申请号为201610170292.2的发明专利公开了公开一种能够兼顾电池高温循环性能和低温循环性能的锂离子电池非水电解液，以及使用该电解液的锂离子电池。所述电解液，包含非水溶剂、添加剂和如下通式所示的锂盐：
式中，R1和R2为卤族元素中的一种。该发明通过改变锂离子电池电解液中的锂盐和添加一定量的成膜添加剂，使得电池在循环过程中的阻抗减小，但是电池的高低温循环性能和稳定性并没有得到很大改善，电池耐用性不佳。
发明内容
本发明公开了一种改善电池高温性能的电解液，包括锂盐、非水溶剂、成膜添加剂、除水剂，所述锂盐化学通式如下：
式中，R1、R2和R3为碳原子数为1-12的烷基、烷氧基羰基、烷基磺酰基、烯基和卤素原子中的任意一种，上述锂盐可由专业的锂盐制造商广州天赐、台湾台塑、日本三井等提供。
优选的是，所述非水溶剂为EC(碳酸乙烯酯)、FEC(氟代碳酸亚乙酯)、EMC(碳酸甲基乙基酯)、DEC(碳酸二乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、PC(碳酸丙烯酯)中的至少两种。
上述任一方案优选的是，所述添加剂的用量占电解液总重量的0.1～20％。
上述任一方案优选的是，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯(VC)、亚硫酸丙烯酯(PS)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)中的至少一种。
上述任一方案优选的是，所述除水剂的用量占电解液总重量的0.1～10％。
上述任一方案优选的是，所述锂盐的浓度为0.9～1.3mol/L。
本发明还提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔膜以及上述任意一项所述的电解液。
优选的是，所述正极片采用的正极材料包括三元材料和磷酸铁锰锂材料，
上述任一方案优选的是，所述负极片采用的负极材料包括天然石墨、人造石墨、硅碳、硅、硬碳、钛酸锂材料中的至少一种。
本发明的有益效果如下：本发明公开了一种改善电池高温性能的电解液及锂离子电池，包括锂盐、非水溶剂、成膜添加剂、除水剂，所述锂盐化学通式如下：
式中，R1、R2和R3为碳原子数为1-12的烷基、烷氧基羰基、烷基磺酰基、烯基和卤素原子中的任意一种。电解液通过用新型锂盐、成膜添加剂及除水剂的协同作用，抑制磷酸铁锰锂吸水造成的电解液分解产气和三元材料的金属离子析出对电池高温性能的影响。使用该电解液的三元混磷酸铁锰锂电池高温性能得到提高。把三元材料和安全性较高的磷酸铁锰锂材料混合作为正极材料有效的提高了电池的能量密度和安全性能。在电解液的组成成分中电解液添加剂用量小、见效快，通过开发高低温电解液添加剂，可以在保持锂离子电池常温性能的前提下，提高高低温稳定性能，解决其高低温安全性问题，拓宽锂离子电池的应用范围。所制备的电解液在锂离子电池中表现出良好的高温循环性能和高温储存性能，增强了产品的竞争力。
附图说明
图1是实施例1、实施例2、实施例3和比较例1在55℃温度下一周高温存储柱形图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
实施例1
(1)电解液配制：按照FEC：PC：DEC：EMC＝35：5：35：25的体积比)配制1mol/LLiTFSI电解液。
(2)正极材料的制备：混合重量百分含量91％的NCM523(镍钴锰三元材料)+LFMP(磷酸铁锰锂)(7:3，正极活性物质)，重量百分含量4％的SP(超导碳黑)以及重量百分含量5％的PVDF(粘结剂)，并向其加入N-甲基吡咯烷酮制成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，干燥后辊压，得到正极材料。
(3)负极材料的制备：混合重量百分含量75％的人造石墨，重量百分含量20％的中间相炭微球，重量百分含量5％的羧甲基纤维素钠，并向其加入去离子水，然后将浆料涂覆在铜箔上，干燥后辊压，得到负极材料。
(4)将上述正负极材料制备成1965140型号的方型电池(长、宽、高分别为140mm、65mm和19mm)，其中，正极材料压实密度为2.17g/cm3，极片的厚度为162μm(双面)；负极材料压实密度1.46g/cm3，极片的厚度为104μm。
(5)使上述电池按照下述工艺化成：(1)260mA恒流充电，限压4.15V，限时240min；(2)2600mA恒流恒压充电，限压4.15V，限流200mA，限时240min。然后按照1C(15000mA)进行高温(55℃)循环充放电和55℃一周高温储存7天，如表1和图1所示，当容量衰减至初始容量的80％时，高温循环次数为600周，高温储存一周的容量保持率为96.6％，容量恢复率为98.4％。
实施例2
(1)电解液配制：加入总重量2％的VC，总重量1％的除水剂，按照FEC：PC：DEC：EMC＝35：5：35：25(体积比)配制1mol/L LiTFSI电解液。
(2)正极材料的制备：混合重量百分含量91％的NCM523+LFMP(7:3，正极活性物质)，重量百分含量4％的SP(超导碳黑)以及重量百分含量5％的PVDF(粘结剂)，并向其加入N-甲基吡咯烷酮制成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，干燥后辊压，得到正极材料。
(3)负极材料的制备：混合重量百分含量75％的人造石墨，重量百分含量20％的中间相炭微球，重量百分含量5％的羧甲基纤维素钠，并向其加入去离子水，然后将浆料涂覆在铜箔上，干燥后辊压，得到负极材料。
(4)将上述正负极材料制备成1965140型号的方型电池(长、宽、高分别为140mm、65mm和19mm)，其中，正极材料压实密度为2.17g/cm3，极片的厚度为162μm(双面)；负极材料压实密度1.46g/cm3，极片的厚度为104μm。
(5)使上述电池按照下述工艺化成：(1)260mA恒流充电，限压4.15V，限时240min；(2)2600mA恒流恒压充电，限压4.15V，限流200mA，限时240min。然后按照1C(15000mA)进行高温(55℃)循环充放电和55℃一周高温储存7天，结果如表1和图1所示，当容量衰减至初始容量的80％时，高温循环次数为800周，高温储存一周的容量保持率为97.7％，容量恢复率为99.1％。
实施例3
(1)电解液配制：加入总重量2％的VC，总重量1％的MMDS，总重量1％的除水剂，按照FEC：PC：DEC：EMC＝35：5：35：25(体积比)配制1mol/L LiTFSI电解液。
(2)正极材料的制备：混合重量百分含量91％的NCM523+LFMP(8:2，正极活性物质)，重量百分含量4％的SP(超导碳黑)以及重量百分含量5％的PVDF(粘结剂)，并向其加入N-甲基吡咯烷酮制成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，干燥后辊压，得到正极材料。
(3)负极材料的制备：混合重量百分含量75％的人造石墨，重量百分含量20％的中间相炭微球，重量百分含量5％的羧甲基纤维素钠，并向其加入去离子水，然后将浆料涂覆在铜箔上，干燥后辊压，得到负极材料。
(4)将上述正负极材料制备成1965140型号的方型电池(长、宽、高分别为140mm、65mm和19mm)，其中，正极材料压实密度为2.17g/cm3，极片的厚度为162μm(双面)；负极材料压实密度1.46g/cm3，极片的厚度为104μm。
(5)使上述电池按照下述工艺化成：(1)260mA恒流充电，限压4.15V，限时240min；(2)2600mA恒流恒压充电，限压4.15V，限流200mA，限时240min。然后按照1C(15000mA)进行高温(55℃)循环充放电和55℃一周高温储存7天，结果如表1和图1所示，当容量衰减至初始容量的80％时，高温循环次数为1000周，高温储存一周的容量保持率为98.9％，容量恢复率为100.8％。
实施例4(比较例1)
(1)电解液配制：按照EC：PC：DEC：EMC＝35：5：35：25(体积比)配制1mol/L LiPF6电解液。
(2)正极材料的制备：混合重量百分含量91％的NCM523+LFMP(7:3，正极活性物质)，重量百分含量4％的SP(超导碳黑)以及重量百分含量5％的PVDF(粘结剂)，并向其加入N-甲基吡咯烷酮制成浆料，将浆料涂覆在铝箔上，干燥后辊压，得到正极材料。
(3)负极材料的制备：混合重量百分含量75％的人造石墨，重量百分含量20％的中间相炭微球，重量百分含量5％的羧甲基纤维素钠，并向其加入去离子水，然后将浆料涂覆在铜箔上，干燥后辊压，得到负极材料。
(4)将上述正负极材料制备成1965140型号的方型电池(长、宽、高分别为140mm、65mm和19mm)，其中，正极材料压实密度为2.17g/cm3，极片的厚度为162μm(双面)；负极材料压实密度1.46g/cm3，极片的厚度为104μm。
(5)使上述电池按照下述工艺化成：(1)260mA恒流充电，限压4.15V，限时240min；(2)2600mA恒流恒压充电，限压4.15V，限流200mA，限时240min。然后按照1C(15000mA)进行高温(55℃)循环充放电和55℃一周高温储存7天，结果显示，当容量衰减至初始容量的80％时，高温循环次数为400周，高温储存一周的容量保持率为95.2％，容量恢复率为97.4％，具体见表1和图1。
表1.实施例1、实施例2、实施例3和实施例4(实施例4为比较例1)的高温常温循环性能对比
比较例1 实施例1 实施例2 实施例3
高温循环周数 400 600 800 1000
常温循环周数 2000 2000 2000 2000
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改善电池高温性能的电解液，包括锂盐、非水溶剂、成膜添加剂、除水剂，其特征在于，所述锂盐化学通式如下：
式中，R1、R2和R3为碳原子数为1-12的烷基、烷氧基羰基、烷基磺酰基、烯基和卤素原子中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述非水溶剂为EC、FEC、EMC、DEC、DMC、PC中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述添加剂的用量占电解液总重量的0.1～20％。。
4.根据权利要求1或3所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述添加剂为碳酸亚乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、甲烷二磺酸亚甲酯、碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种。
5.根据权利要求1 4所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述除水剂的用量占电解液总重量的0.1～10％。
6.根据权利要求1所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述锂盐的浓度为0.9～1.3mol/L。
7.一种锂离子电池，包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔膜以及上述任意一项权利要求所述的电解液。
8.根据权利要求7所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述正极片采用的正极材料包括三元材料和磷酸铁锰锂材料。
9.根据权利要求7所述的改善电池高温性能的电解液，其特征在于，所述负极片采用的负极材料包括天然石墨、人造石墨、硅碳、硅、硬碳、钛酸锂材料中的至少一种。
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