CN111653829A - 锂离子电池电解液及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

公开一种锂离子电池电解液，包括成膜添加剂，成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、1,3‑丙烷磺酸内酯和二氟磷酸锂；碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的0.2％～3％，硫酸乙烯酯占电解液总质量的0.5％～5％，1,3‑丙烷磺酸内酯占电解液总质量的0.2％～3％，二氟磷酸锂占电解液总质量的0.2％～2％。本发明的电解液中碳酸亚乙烯酯与硫酸乙烯酯在化成及充放电过程中于电池负极表面形成稳定而致密的SEI膜，1,3‑丙烷磺内酯与二氟磷酸锂于正极表面形成钝化膜，改善电池高温产气性能和抑制快充循环过程中的正极过渡金属元素溶出对负极的破坏，可改善正负极成膜结构及降低副反应，保证电池具有良好的大倍率充电性能和循环寿命。

Description

锂离子电池电解液及锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池电解液及包含该电解液的锂离子电池。
背景技术
近年来，锂离子电池在智能手机、平板电脑、智能穿戴、电动工具和电动汽车等领域得到了广泛的应用。随着生活节奏的加快和电子产品的发展，消费者对缩短锂离子电池充电时间和提高锂离子电池能量密度的需求更加迫切，相应地对锂离子电池充电速度提出了更高的要求。
目前通过采用电解液中添加各种添加剂的方式来满足快速充电的需求，但现有锂离子电池电解液会导致电池DCR和极化较大，易导致快充大倍率循环出现析锂的情况，难以缩短快充时间和提升快充性能。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种锂离子电池的电解液及包含该电解液的锂离子电池。
本发明一方面提供一种锂离子电池的电解液，包括成膜添加剂，所述成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯和二氟磷酸锂；所述碳酸亚乙烯酯占所述电解液总质量的0.2％～3％，所述硫酸乙烯酯占所述电解液总质量的0.5％～5％，所述1,3-丙烷磺酸内酯占所述电解液总质量的0.2％～3％，所述二氟磷酸锂占所述电解液总质量的0.2％～2％。
本发明另一方面提供一种包括上述电解液的锂离子电池。
本发明的电解液包括成膜添加剂，其中碳酸亚乙烯酯与硫酸乙烯酯在化成及充放电过程中于电池负极表面形成稳定而致密的SEI膜，1,3-丙烷磺内酯与二氟磷酸锂于正极表面形成钝化膜，改善电池高温产气性能和抑制快充循环过程中的正极过渡金属元素溶出对负极的破坏。本发明的电解液通过四种添加剂的组合可改善正负极成膜结构及降低副反应，保证电池具有良好的大倍率充电性能和循环寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
本发明的锂离子电池电解液，包括成膜添加剂，成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯(VC)、硫酸乙烯酯(DTD)、1,3-丙烷磺酸内酯(PS)和二氟磷酸锂(LiPO2F2)。碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的0.2％～3％，硫酸乙烯酯占电解液总质量的0.5％～5％，1,3-丙烷磺酸内酯占电解液总质量的0.2％～3％，二氟磷酸锂占电解液总质量的0.2％～2％。
电解液中碳酸亚乙烯酯与硫酸乙烯酯在化成及充放电过程中于负极表面形成稳定而致密的SEI膜，1,3-丙烷磺内酯与二氟磷酸锂于正极表面形成钝化膜，改善电池高温产气性能和抑制快充循环过程中的正极过渡金属元素溶出对负极的破坏。本发明的电解液通过四种添加剂的组合可改善正负极成膜结构及降低副反应，保证电池具有良好的大倍率充电性能和循环寿命。
在可选的实施方式中，电解液还包括低阻抗添加剂，可以进一步优化SEI膜的厚度和密实度，降低电池的界面阻抗，快充性能和常温循环性能明显改善。低阻抗添加剂选自三(三甲基硅烷)硼酸酯(TMSB)、三(三甲基硅烷)磷酸酯(TMSP)、三(三甲基硅烷)亚磷酸酯(TMSPI)、甲烷二磺酸亚甲酯(MMDS)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种或多种。低阻抗添加剂TMSB/TMSP/TMSPI以化学修饰的形式参与电池负极成膜，还原电位较低的MMDS与FEC优先成膜后可在一定范围内减缓阻抗较大的添加剂成膜。电解液中选择上述低阻抗添加剂中的一种或多种，从而可以通过优化正负极界面膜的结构来进一步降低电池的界面阻抗和提升快充能力。优选，低阻抗添加剂占电解液总质量的0.2％～5％。
在可选的实施方式中，电解液还包括高温添加剂，以提高电解液热稳定性，降低正负极副反应的发生，高温保存性能和高温循环性能明显改善。高温添加剂选自双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)、二氟双草酸磷酸锂(LiODFP)、四氟草酸磷酸锂(LiFOP)中的一种或多种。高温添加剂LiFSI有助于提高电解液热稳定性，而高温添加剂LiODFB/LiODFP/LiFOP在正负极发生氧化还原反应形成传导性较高的钝化膜。电解液中通过添加上述高温添加剂中的一种或多种可以有效抑制正负极活性材料与电解液的直接接触以改善高温存储性能。优选，高温添加剂占电解液总质量的0.2％～5％。
在可选的实施方式中，电解液中可以同时包含低阻抗添加剂和高温添加剂。在上述组合中添加低阻抗添加剂和高温添加剂，调节合适的比例(上述优选含量范围)，得到快充性能、高温保存性能和循环性能优异的组合。电解液的有机溶剂，有机溶剂为环状碳酸酯和线性碳酸酯。环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种或多种。线性碳酸酯选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、乙酸乙酯、丙酸乙酯中的一种或多种。以有机溶剂总质量为100％计，环状碳酸酯的含量为10％～50％，线性碳酸酯的含量为50％～90％。
电解液中锂盐选自LiClO4、LiPF6、LiBOB、LiFSI、LiTFSI、LiBF4、LiODFP中的一种或多种，锂盐在电解液中的浓度为0.7～1.5mol/L。
本发明的电解液可显著提高锂离子电池快充能力、缩短快充时间。同时，使锂离子电池具有优异的常温快充循环寿命和45℃高温快充循环寿命，并可改善60℃高温存储性能。且本发明的电解液体系的成本相对适中，适于工业实用。
本发明还包含一种包括上述电解液的锂离子电池。在可选的实施方式中，锂离子电池的正极材料包括三元正极材料。
以下通过具体实施例进一步解释说明本发明的发明构思。在以下实施例和对比例中，没有特别说明，所有原料均为市售。
实施例1
电解液的制备：
以EC、EMC和DEC混合形成有机溶剂，其中以有机溶剂的总质量为100％计，有机溶剂中EC占溶剂总质量的30％，EMC占溶剂总质量的50％，DEC占溶剂总质量的20％。将六氟磷酸锂加入到溶剂中充分混合溶解，溶液中锂盐溶度为1mol/L。然后加入成膜添加剂VC、DTD、PS和LiPO2F2，混合均匀后得到电解液，其中以电解液的总质量为100％计，电解液中VC的质量含量为0.2％，DTD的质量含量为0.5％，PS的质量含量为0.2％，LiPO2F2的质量含量为0.2％。
正极极片的制备：
以正极活性物质、导电剂和粘结剂的总质量为100％计，将质量分数为97％的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、质量分数为2％导电剂炭黑加入溶解有质量分数为1％的PVDF的1-甲基-9-吡咯烷酮溶液中，混合均匀形成正极浆料。将正极浆料涂布在铝箔上，通过干燥烘箱烘干后，再进行辊压、切片得到正极片，该正极片的压实密度为3.4g/cm3。
负极极片的制备：
以负极活性物质、导电剂和粘结剂的总质量为100％计，将质量分数为96％的人造石墨加入溶解有质量分数3％的粘结剂SBR、质量分数为1％增稠剂CMC的水溶液中，混合均匀形成负极浆料。将负极浆料涂布在铜箔上，通过干燥烘箱烘干后，再进行辊压、切片得到负极片，该负极片的压实密度为1.5g/cm3。
组装成电池：
按照隔离膜、负极片、隔离膜、正极片的顺序叠加卷绕后放入铝塑袋内，烘干水分后注入本实施例电解液，最后进行封装、化成和定容后得到锂离子电池。
实施例2-10和对比例1-3
参照实施例1的制备方法制备电解液和锂离子电池，其中电解液的各组分及其含量如表1所示。
对实施例1-10和对比例1-3制备的锂离子电池进行快充能力测试、高温存储测试和快充循环测试。具体的测试条件如下。
快充能力测试(充电至80％SOC的测试)：在室温25±2℃，相对湿度45～75％的条件下对实施例1-10和对比例1-3制备的锂离子电池进行2.8～4.3V充放电测试。测试步骤为先4C恒流充电到3.94V，2C恒流充电到3.98V，1C恒流恒压充电到4.3V，静置10min；1C恒流放电到2.8V，静置10min。测定电池充电至80％SOC的时间。
高温存储测试：在60℃恒温烘箱中对实施例1-10和对比例1-3电池进行2.8～4.3V存储测试，测试步骤为在室温条件下1C恒流恒压充电到4.3V，静置10min；将电池转移到60℃恒温烘箱中存储30天，每7天取出电池在室温下静置5h；1C恒流放电到2.8V，静置10min，1C恒流恒压充电到4.3V，充放循环3次。
快充循环测试：在25℃恒温烘箱中对1-10和对比例1-3电池进行2.8～4.3V循环测试，测试步骤为2C恒流恒压充电到4.3V，静置10min；1C恒流放电到2.8V，静置10min。在45℃恒温烘箱中对实施例1-10和对比例1-3电池进行2.8～4.3V循环测试，测试步骤与25℃循环相同。
以上测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002591625280000051
结合表1，对于实施例1-4和对比例1-3可以看出，电解液中碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的0.2％～3％、硫酸乙烯酯占电解液总质量的0.5％～5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液总质量的0.2％～3％、二氟磷酸锂占电解液总质量的0.2％～2％时，电池的快充性能、常温保持率和高温保持率均得到明显改善。特别是，当电解液中碳酸亚乙烯酯占电解液总质量的1.5％、硫酸乙烯酯占电解液总质量的2.5％、1,3-丙烷磺酸内酯占电解液总质量的1.5％、二氟磷酸锂占电解液总质量的1％时，电池的快充性能、常温保持率和高温保持率提高的幅度最大。
对比实施例2和实施例5、6，以及实施例7、8和实施例9、10，可以看出电解液添加了低阻抗添加剂后，电池的快充性能得到提高，说明电解液中包含低阻抗添加剂后确实降低了电池的阻抗，进而降低电池内阻。
对于实施例2和实施例7、8，以及实施例5、6和实施例9、10，可以看出电解液中添加高温添加剂使电池在45℃的容量保持率和60℃的容量恢复率得到了提高。
综上，本发明的电解液中通过包含具体含量和具体质量的添加剂从而实现提高快充性能、常温循环容量保持率、高温循环容量保持率和高温保存容量恢复率的目的。更进一步，电解液中还可以包括低阻抗添加剂和/或高温添加剂进一步降低电池的阻抗和/或提高电池高温存储和循环的稳定性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电池电解液，包括成膜添加剂，其特征在于，
所述成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯和二氟磷酸锂；
所述碳酸亚乙烯酯占所述电解液总质量的0.2％～3％，所述硫酸乙烯酯占所述电解液总质量的0.5％～5％，所述1,3-丙烷磺酸内酯占所述电解液总质量的0.2％～3％，所述二氟磷酸锂占所述电解液总质量的0.2％～2％。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液还包括低阻抗添加剂，所述低阻抗添加剂选自三(三甲基硅烷)硼酸酯、三(三甲基硅烷)磷酸酯、三(三甲基硅烷)亚磷酸酯、甲烷二磺酸亚甲酯、氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述低阻抗添加剂占所述电解液总质量的0.2％～5％。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液还包括高温添加剂，所述高温添加剂选自双(氟磺酰)亚胺锂、二氟草酸硼酸锂、二氟双草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，所述高温添加剂占所述电解液总质量的0.2％～5％。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液的有机溶剂，所述有机溶剂为环状碳酸酯和线性碳酸酯；
所述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯中的一种或多种；
所述线性碳酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯中的一种或多种；
以所述有机溶剂总质量为100％计，所述环状碳酸酯的含量为10％～50％，所述线性碳酸酯的含量为50％～90％。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液的锂盐选自LiClO4、LiPF6、LiBOB、LiFSI、LiTFSI、LiBF4、LiODFP中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的电解液，其特征在于，所述锂盐在所述电解液中的浓度为0.7～1.5mol/L。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的正极材料包括三元正极材料。
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