CN107959050A - 一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液及其制备方法 - Google Patents

一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液及其制备方法，属于锂离子电池领域。所述电解液是在普通电解液中增大相当于普通电解液锂盐浓度的1.5～2.5倍得到的；所述的普通电解液由砜类溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；所述的导电锂盐为含氟系列锂盐。本发明使用高浓度的锂盐来提高砜类电解液的循环性能，在高浓度锂盐条件下，在放电过程中，优化了石墨负极表面膜，抑制电极的表面活性，从而抑制电解液与电极活性物质的进一步接触，减少电解液砜类溶剂在电极表面的还原分解，从而提高锂离子电池在砜基电解液下的循环稳定性；且安全性能、使用寿命和能量密度、放电比容量均得到提高。

Description

一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液及其制备 方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液及其制备方法。
背景技术
在商业化二次电池中，锂离子电池的比能量最高、循环性能最好，而且因其电极材料选择的多样性，作为储能电池具有广阔的发展前景。但随着科技的进步及市场的不断发展，对电池能量密度的需求日益迫切，因此提升锂电池的能量密度成为又一项困扰科研工作者的新的课题。
当前商业用锂离子电池的正极材料主要有锰酸锂、钴酸锂、磷酸亚铁锂等，这些电池材料具有较好的稳定性，但在能量密度上已不能满足人们的需求，开发具有高能量密度的新的电池材料是解决能量密度不足的一个方法，但是寻找新的电池材料需要巨大的资金投入，成本高、工作效率低；另一提升电池能量密度的方法是提高电池的工作电压，因为这种方法的简单有效，毫无疑问是提高电池工作电压是所有提升电池能量密度方法中的优选。但是，纵然我们可以从高电压体系下获得高的能量密度，商业化碳酸酯类电解液在高压下的不稳定性严重影响了电池的循环性能，缩短了电池的循环寿命，与提升能量密度的初衷相矛盾，通过提高工作电压进而提升能量密度的方法也遇到了阻碍。但综合成本、效率等方面的问题提高电压来提升能量密度的方法还是具有优势的。因此提升电池能量密度的又一方法便是寻找能够匹配高压工作的电解液，可以往碳酸酯类电解液中加入耐高压的添加剂来达到目的，但是这种方法治标不治本，砜基的电解液在1985年首次被报道，砜类由于带有强吸电子基团而具备较高的氧化电位[超过5.0V(vs.Li/Li+)]，其宽电化学窗口随着低聚物链的缩短而变得更宽，是理想的耐高压溶剂，使用砜基电解液可以从根本上解决高压不稳定的问题。不幸的是，砜类最普遍的缺点是其与石墨电极之间的不兼容性，导致大量的不可逆容量产生。尽管用EMC作为共溶剂，环丁砜基的电解液依然不能有效地钝化石墨电极。因此提高砜类溶剂与石墨负极相容性的必要性。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液。该电解液是通过提高砜类电解液中锂盐的浓度来提高砜类溶剂的循环稳定性，即方便又经济。该电解液能显著提高锂离子电池高电压条件下的循环稳定性和使用寿命。
本发明的另一目的在于提供上述高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的制备方法。
本发明的再一目的是在于提供上述高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，所述电解液是在普通电解液中增大相当于普通电解液锂盐浓度的1.5～2.5倍得到的；所述的普通电解液由砜类溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；
高浓度锂盐作为提高砜类电解液循环稳定性的条件，所述的导电锂盐为含氟系列锂盐，所述导电锂盐在普通电解液中的浓度优选为1M；所述的砜类溶剂指的如式1所示的一系列化合物中的一种或至少两种；
其中，所述R1和R2为下述情形中的任意一种：自由氢、碳原子数1～20的烷基、碳原子数3～20的环烷基、碳原子数6～30的芳基、碳原子数6～30的芳烷基、部分氢或全部氢被卤素取代的碳原子数为1～6的直链烷基。
更优选的，所述的砜类溶剂为环丁砜；
优选的，所述电解液是在普通电解液中增大相当于普通电解液锂盐浓度的1.5～2.0倍得到的。
更优选的，所述电解液是在普通电解液中增大相当于普通电解液锂盐浓度的2.0倍得到的。
所述的砜类溶剂和线型碳酸酯溶剂的质量比优选为：砜类溶剂占总溶剂质量比30％以上；更优选为40％。
所述的线型碳酸酯溶剂优选为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲丙酯(MPC)中的一种或至少两种；
所述的导电锂盐优选为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、全氟烷基磺酰甲基锂(LiC(CF3SO2)3)和双三氟甲基磺酰亚胺锂(Li(CF3SO2)2N)中的一种或至少两种；
上述高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的制备方法，包括如下步骤：
(1)将砜类溶剂和线型碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐加入步骤(1)所得到的混合溶剂中，得到普通电解液；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中加入相当于普通电解液浓度1.5～2.5倍的导电锂盐；得到所述砜基电解液。
步骤(1)中所述的纯化除杂、除水优选通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或至少两种进行处理；
所述的分子筛可以为型、型或型，优选为型或型；
所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液应用于制造锂离子电池，得到的电池具有良好的充放电性能。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明使用高浓度的锂盐来提高砜类电解液的循环性能，在高浓度锂盐条件下，在放电过程中，在石墨电极表面上Li离子脱去溶剂化壳，溶剂化壳的组分PF6 -在电极表面还原生成F-与锂离子结合形成的LiF共同参与构筑形成一层致密、稳定的SEI膜，优化了石墨负极表面膜，抑制电极的表面活性，从而抑制电解液与电极活性物质的进一步接触，减少电解液砜类溶剂在电极表面的还原分解，从而提高锂离子电池在砜基电解液下的循环稳定性，
(2)本发明使用高浓度的锂盐来提高砜类电解液的循环稳定性，由于在富集PF6 -的条件下，在循环过程中形成的LiF是构筑高质量SEI的重要部分，可以有效的抑制电解液分解，有效保护石墨电极，推广砜类电解液的运用。
(3)所述的高电压锂离子电池电解液应用于制造锂离子电池，得到的锂离子电池的安全性能、使用寿命和能量密度、放电比容量均得到提高。
附图说明
图1是实施例1、2、3以及对比实例制备的砜基锂离子电池电解液制作的石墨半电池充放电循环图。
图2是不同盐浓度以DMC为单组分溶剂的电解液制作的石墨半电池电池充放电循环图。
图3是1ML锂盐以环丁砜为单组分溶剂的电解液制作的石墨半电池电池充放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiPF6在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的1.5倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例2
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiPF6在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的2倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例3
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiPF6在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液2.5倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例4
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiDFOB溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiDFOB在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的2.5倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例5
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiAsF6溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiAsF6在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的2.5倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例6
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐Li(CF3SO2)2N溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐Li(CF3SO2)2N在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的2.5倍；得到砜基锂离子电池电解液。
实施例7
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiC(CF3SO2)3溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，配成普通电解液；其中导电锂盐LiC(CF3SO2)3在普通电解液中的终浓度为1mol/L；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中增大锂盐浓度为普通电解液的2倍；得到砜基锂离子电池电解液。
对比实施例
(1)环丁砜(SL)、线型碳酸酯溶剂碳酸二乙酯(DMC)按质量比SL：DMC＝1：1.5混合，采用分子筛氢化钙、氢化锂纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐LiPF6溶解在步骤(1)得到的混合溶剂中，搅拌均匀，得到普通电解液；其中导电锂盐LiPF6在普通电解液中的终浓度为1.0mol/L。
效果比较：
将实施例1、2、3制备得到的砜基锂离子电池电解液和对比实施例制备得到的普通电解液进行比较：
(1)图1为实施例1、2、3制备的砜基锂离子电池电解液制作的锂离子电池在应用电解液制备扣式电池，进行充放电性能的测试：以质量百分比80％的石墨，质量百分比10％的PVDF和质量百分比10％的导电碳黑为工作电极，金属锂作为参比电极和对电极，加入实施例1、2、3制备的高电压锂离子电池电解液或者对比实施例制备的普通电解液30μL。在室温25℃恒温下以0.05C在0.005V到2.5V间充放3圈进行电池活化处理，然后以0.1C在0.005V到2.5V充放电测试。如图1所示，对比实施例循环稳定性明显不及实施例1、2、3；而实施例1、2、3制备的砜类锂离子电池电解液用于锂离子电池循环125周后容量保持率均高于对比实例，说明高浓度锂盐能提高砜类电解液的循环稳定性。
(2)图2不同盐浓度以DMC为单组分溶剂的电解液制作的石墨半电池电池充放电性能测试：以质量百分比80％的石墨，质量百分比10％的PVDF和质量百分比10％的导电碳黑为工作电极，金属锂作为参比电极和对电极，分别加入1、1.5、2、2.5M的LiPF6盐，以DMC为溶剂组成的电解液30μL。在室温25℃恒温下以0.05C在0.005V到2.5V间充放3圈进行电池活化处理，然后以0.1C在0.005V到2.5V充放电测试。如图2所示，随着锂盐浓度的提高，对石墨半电池的循环性能没有大的影响，表现出来的电化学性能与砜基的电解液不同，可以说明实例中，DMC溶剂的作用主要是降低砜基电解液的粘度，循环性能主要表现的是SL的行为。
(3)图3为以SL为纯溶剂，锂盐(LiPF6)浓度为1M组成的电解液制作的石墨半电池电池首圈充放电图。如图3所示，以SL为纯溶剂的电解液在石墨半电池上Li+只能嵌入几乎脱不出来，进一步验证其他研究者对SL对石墨不兼容的结论。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：所述电解液是在普通电解液中增大相当于普通电解液锂盐浓度的1.5～2.5倍得到的；所述的普通电解液由砜类溶剂、线型碳酸酯溶剂和导电锂盐构成；
所述的导电锂盐为含氟系列锂盐。
2.根据权利要求1所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：
所述的砜类溶剂指的如式1所示的一系列化合物中的一种或至少两种；
其中，所述R1和R2为下述情形中的任意一种：自由氢、碳原子数1～20的烷基、碳原子数3～20的环烷基、碳原子数6～30的芳基、碳原子数6～30的芳烷基、部分氢或全部氢被卤素取代的碳原子数为1～6的直链烷基。
3.根据权利要求1所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：
所述的导电锂盐在普通电解液中的浓度为1M。
4.根据权利要求1或2所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：
所述的砜类溶剂和线型碳酸酯溶剂的质量比为：砜类溶剂占总溶剂质量比30％以上。
5.根据权利要求1所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：
所述的线型碳酸酯溶剂为碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯和碳酸甲丙酯中的一种或至少两种。
6.根据权利要求1或3所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液，其特征在于：
所述的导电锂盐为六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、六氟砷酸锂、全氟烷基磺酰甲基锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或至少两种。
7.权利要求1～6任一项所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将砜类溶剂和线型碳酸酯溶剂混合，纯化除杂、除水，得到混合溶剂；
(2)将导电锂盐加入步骤(1)所得到的混合溶剂中，得到普通电解液；
(3)在步骤(2)制备得到的普通电解液中加入相当于普通电解液浓度1.5～2.5倍的导电锂盐；得到所述砜基电解液。
8.根据权利要求7所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的纯化除杂、除水通过分子筛、活性炭、氢化钙、氢化锂、无水氧化钙、氯化钙、五氧化二磷、碱金属或碱土金属中的任意一种或至少两种进行处理。
9.根据权利要求8所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液的制备方法，其特征在于：
所述的分子筛为型、型或型。
10.权利要求1～6任一项所述的高能量密度高安全锂离子电池用砜基电解液在制造锂离子电池中的应用。
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