CN112234253A - 一种锂二次电池用电解液和包括该电解液的锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂二次电池技术领域，尤其涉及一种锂二次电池用电解液和包括该电解液的锂二次电池。本发明提供的电解液，通过加入包括六甲基二硅氮烷和1,2,2,3‑丙烷四甲腈的第一添加剂，以及包括氟代碳酸乙烯酯、1,3‑丙烷磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯或亚硫酸乙烯酯中的一种或多种的第二添加剂，能够提高锂二次电池在高电压下的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能；本发明提供的锂二次电池包括上述电解液，因而该锂二次电池在高电压下具有好的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能。

Description

一种锂二次电池用电解液和包括该电解液的锂二次电池
技术领域
本发明涉及锂二次电池技术领域，尤其涉及一种锂二次电池用电解液和包括该电解液的锂二次电池。
背景技术
锂二次电池在现代生活中应用非常普遍，例如：手机、笔记本电脑、手环、蓝牙耳机、电动汽车和储能电站等。但是，随着人们对上述产品的使用更加频繁，对锂二次电池的性能要求也越来越高。
锂二次电池用电解液主要由有机溶剂、锂盐和添加剂组成。为了提升锂二次电池能量密度，锂二次电池上线电压逐渐升高。不幸的是，锂二次电池用电解液在高电压下容易分解，导致锂二次电池性能急剧恶化。另外，锂二次电池用电解液的储存稳定性差，长时间放置会恶化锂二次电池用电池的性能。
发明内容
针对现有锂二次电池高电压下的高温循环性能和储存稳定性能差的问题，本发明提供一种锂二次电池用电解液和包括该电解液的锂二次电池，具体的，本发明提供了如下技术方案：
一种电解液，所述电解液包括有机溶剂、锂盐、第一添加剂和第二添加剂，其中，所述第一添加剂包括六甲基二硅氮烷和1,2,2,3-丙烷四甲腈，所述第二添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯或亚硫酸乙烯酯中的一种或多种。
在一些实施方案中，所述第一添加剂由六甲基二硅氮烷和1,2,2,3-丙烷四甲腈组成。
在一些实施方案中，所述六甲基二硅氮烷的化学式为C6H19NSi2，英文名称为1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane。所述六甲基二硅氮烷可通过商业途径购买得到。
在一些实施方案中，所述六甲基二硅氮烷的加入量占电解液总重量的0.01wt％～0.1wt％，优选为0.02wt％～0.07wt％。
示例性地，所述六甲基二硅氮烷的加入量占电解液总重量的0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％。
在一些实施方案中，所述1,2,2,3-丙烷四甲腈的化学式为C7H4N4，英文名称为1,2,2,3-propanetetracarbonitrile；所述1,2,2,3-丙烷四甲腈可通过商业途径购买得到。
在一些实施方案中，所述1,2,2,3-丙烷四甲腈的加入量占电解液总重量的0.01wt％～10wt％，优选为0.2wt％～6wt％。
示例性地，所述1,2,2,3-丙烷四甲腈的加入量占电解液总重量的0.01wt％、0.05wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2.0wt％、3.0wt％、4.0wt％、5.0wt％、6.0wt％、7.0wt％、8.0wt％、9.0wt％、10wt％。
在一些实施方案中，所述第二添加剂的加入量占电解液总重量的0.5wt％～20wt％，优选为0.8wt％～18wt％，还优选为2～15wt％。
示例性地，所述第二添加剂的加入量占电解液总重量的0.5wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％、2.0wt％、3.0wt％、4.0wt％、5.0wt％、6.0wt％、7.0wt％、8.0wt％、9.0wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％。
在一些实施方案中，所述有机溶剂包括环状有机溶剂和/或线型有机溶剂，其中，所述环状有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯和γ-戊内酯中的一种或多种组合；所述线型有机溶剂选自碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和1,1,2,3-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚中的一种或多种组合。
此外，环状有机溶剂和线型有机溶剂在有机溶剂中的添加比例不做特别限定，二者任意组合后形成的有机溶剂在电解液中即可。
在一些实施方案中，所述锂盐选自六氟磷酸锂、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、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂和双草酸硼酸锂中的一种或多种组合。
在一些实施方案中，所述锂盐的使用量占电解液总质量的10-20wt％，例如为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％。
本发明提供的电解液用于锂二次电池中，在高电压下能够兼顾高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能。所述电解液中的1,2,2,3-丙烷四甲腈能够与正极材料中的过渡金属络合，进而吸附在正极表面上形成正极界面膜，抑制过渡金属的溶出，从而提高锂二次电池的高温循环性能；1,2,2,3-丙烷四甲腈形成正极界面膜的同时六甲基二硅氮烷也参与界面膜的形成，六甲基二硅氮烷中的吸电子基团N可以降低界面阻抗，有利于锂离子的脱嵌，从而在低温下放电性能提升显著。而且，第二添加剂还可以在负极形成界面膜，有利于提高负极界面的稳定性，对锂二次电池的高温循环和储存性能、低温放电性能有显著提升。另一方面，1,2,2,3-丙烷四甲腈活性较高，在电解液存放过程中分子作用力较大极易团聚和结合氧原子而变色。在1,2,2,3-丙烷四甲腈单独使用时，会导致电解液的稳定性变差，进而导致电池的性能恶化。此时加入六甲基二硅氮烷后，其N原子基团与1,2,2,3-丙烷四甲腈具有排斥作用而起到分散作用，同时六甲基二硅氮烷中的N原子基团会优先与氧原子结合，六甲基二硅氮烷中的Si会与电解液中F结合，从而显著提升电解液的储存稳定性，即获得一种同时提升锂二次电池高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能的有益效果。
本发明还提供一种电解液的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将有机溶剂、第一添加剂、第二添加剂和锂盐混合，其中，所述第一添加剂包括六甲基二硅氮烷和1,2,2,3-丙烷四甲腈，所述第二添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯或亚硫酸乙烯酯中的一种或多种。
示例性地，所述方法包括如下步骤：
在充满氩气水氧含量合格的手套箱中，准备有机溶剂，然后往其中快速加入充分干燥的锂盐、第一添加剂和第二添加剂，制备得到所述电解液。
本发明还提供了一种锂二次电池，所述锂二次电池包括上述的电解液。
在一些实施方案中，所述锂二次电池的上限电压高于或等于4.4V。
在一些实施方案中，所述锂二次电池还包括正极、负极和隔膜。
本发明的正极中使用的正极活性材料可以是本领域中常用的正极活性材料，本发明对此并无特殊限制。例如，正极活性材料可以为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、磷酸铁锂(LFP)、镍锰酸锂和富锂锰基材料中的一种或多种。
进一步地，所述正极包括正极集流体和涂覆在正极集流体一侧或两侧表面的正极活性物质层，其中，所述正极活性物质层中包括正极活性物质。
进一步地，所述正极活性物质层还包括粘结剂和导电剂。
进一步地，所述正极活性物质层中各组分的质量百分含量为：正极活性物质80-99.8wt％，粘结剂0.1-10wt％、导电剂0.1-10wt％。
优选地，所述正极活性物质层中各组分的质量百分含量为：正极活性物质84-99wt％，粘结剂0.5-8wt％、导电剂0.5-8wt％。
还优选地，所述正极活性物质层中各组分的质量百分含量为：正极活性物质90-99wt％，粘结剂0.5-5wt％、导电剂0.5-5wt％。
进一步地，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚苯胺(PAN)、聚丙烯酸(PAA)、海藻酸钠、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、酚醛树脂或环氧树脂等高分子聚合物中的至少一种。
进一步地，所述导电剂选自碳纳米管(CNTs)、碳纤维(VGCF)、导电石墨(KS-6、SFG-6)、中间相碳微球(MCMB)、石墨烯、科琴黑、Super P、乙炔黑、导电炭黑或硬碳中的至少一种。
本发明的负极中使用的负极活性材料可以是本领域中常用的负极活性材料，本发明对此并无特殊限制。例如，负极活性材料可以为人造石墨、硬炭和软炭中的一种或多种。
进一步地，所述负极包括负极集流体和涂覆在负极集流体一侧或两侧表面的负极活性物质层，其中，所述负极活性物质层中包括负极活性物质。
进一步地，所述负极活性物质层还包括粘结剂、导电剂和分散剂。
进一步地，所述负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：负极活性物质70-99.7wt％，粘结剂0.1-10wt％、分散剂0.1-10wt％、导电剂0.1-10wt％。
优选地，所述负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：负极活性物质76-98.5wt％，粘结剂0.5-8wt％、分散剂0.5-8wt％、导电剂0.5-8wt％。
还优选地，所述负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：负极活性物质85-98.5wt％，粘结剂0.5-5wt％、分散剂0.5-5wt％、导电剂0.5-5wt％。
进一步地，所述粘结剂选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚苯胺(PAN)、聚丙烯酸(PAA)、海藻酸钠、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、酚醛树脂或环氧树脂等高分子聚合物中的至少一种。
进一步地，所述分散剂选自聚丙烯(PVA)、十六烷基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、硅烷偶联剂、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等的至少一种，更优选地为十六烷基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、硅烷偶联剂、乙醇中的至少一种。
进一步地，所述导电剂选自碳纳米管(CNTs)、碳纤维(VGCF)、导电石墨(KS-6、SFG-6)、中间相碳微球(MCMB)、石墨烯、科琴黑、Super P、乙炔黑、导电炭黑或硬碳中的至少一种。
本发明的隔膜的材料可以是本领域中常用的材料，本发明对此并无特殊限制。例如，隔膜的材料可以为聚丙烯隔膜(PP)或聚乙烯隔膜(PE)。
本发明还提供上述锂二次电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)准备正极和负极，所述正极中含有正极活性物质，所述负极中含有负极活性物质；
(2)将有机溶剂、添加剂和锂盐混合，制备得到电解液；
(3)将正极、隔膜、负极通过卷绕得到未注液的裸电芯；将裸电芯置于外包装箔中，将步骤(2)的电解液注入到干燥后的裸电芯中，制备得到所述锂二次电池。
本发明中的正极、负极均可通过常规方法制得，在此不再赘述。
在制备锂二次电池时，将正极、隔膜和负极一起卷绕成裸电芯，然后置入电池壳体中，注入本发明的电解液，然后通过密封、化成等工序得到锂二次电池，由于该锂二次电池含有本发明的电解液，因此该锂二次电池在高电压下具有好的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的电解液，通过加入包括六甲基二硅氮烷和1,2,2,3-丙烷四甲腈的第一添加剂，以及包括氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯或亚硫酸乙烯酯中的一种或多种的第二添加剂，能够提高锂二次电池在高电压下的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能；
2)本发明提供的锂二次电池包括上述电解液，因而该锂二次电池在高电压下具有好的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
(1)正极片制备
将正极活性物质LiCoO2、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、导电剂乙炔黑按照重量比96.5:2:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌，直至混合体系成均一流动性的正极浆料；将正极浆料均匀涂覆于厚度为9～12μm的铝箔上；将上述涂覆好的铝箔在5段不同温度梯度的烘箱烘烤后，再将其在120℃的烘箱干燥8h，然后经过辊压、分切得到所需的正极片。
(2)石墨负极片制备
将质量占比为95.9％的石墨负极材料、质量占比为1.1％的导电炭黑(SP)导电剂、质量占比为1％的羧甲基纤维素钠(CMC)分散剂及质量占比为2％的丁苯橡胶(SBR)粘结剂以湿法工艺制成负极浆料；将负极浆料均匀涂覆于厚度为9～12μm的铜箔上；将上述涂覆好的铜箔在5段不同温度梯度的烘箱烘烤后，再将其在85℃的烘箱干燥5h，然后经过辊压、分切得到所需的石墨负极片。
(3)电解液制备
在充满氩气水氧含量合格的手套箱中，将碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照质量比1:2的比例混合均匀(溶剂需要归一化)，然后往其中快速加入12wt％的充分干燥的六氟磷酸锂(LiPF6)、0.2wt％的1,2,2,3-丙烷四甲腈、0.02wt％的六甲基二硅氮烷和3wt％的氟代碳酸乙烯酯，得到电解液。
(4)隔膜的制备
选用7～9μm厚的聚乙烯隔膜。
(5)锂二次电池的制备
将上述准备的正极片、隔膜、负极片通过卷绕得到未注液的裸电芯；将裸电芯置于外包装箔中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的裸电芯中，经过真空封装、静置、化成、整形、分选等工序，获得所需的锂二次电池。
实施例2-9和对比例1-7
其他同实施例1，区别在于步骤(3)不同，添加剂中有机溶剂、锂盐和第二添加剂的具体选择和加入量如表1所示。
表1实施例1-9和对比例1-7的电解液的组成
Figure BDA0002743467960000081
对上述实施例和对比例中的锂二次电池进行以下测试，测试结果见表1和表2。
1、电解液存储色度和酸度测试
将上述实施例和对比例的电解液取样测试色度和酸度，随后分别放置在铝瓶中密封，铝瓶用铝塑膜抽真空封装，随后置于设定温度为45℃的恒温箱中储存60天后取样测试电解液色度和酸度。色度测定方法采用铂-钴比色法，色度单位为Hazen。酸度测试采用电位滴定法(Karl-Fisher 798GPT Titrino，瑞士万通)，酸度以HF计，单位为ppm，检测结果如表1所示。
表1各实施例和对比例的色度和酸度测试结果
Figure BDA0002743467960000091
2、高温循环测试
把上述实施例和对比例的锂二次电池搁置在55℃条件下，在3～4.5V的充放电压区间下使用1C电流进行充放电循环，记录初始容量为Q1，选循环至400周的容量为Q2，由如下公式计算电池高温循环400周的容量保持率：循环容量保持率＝Q2/Q1×100％。
3、高温储存测试
将上述实施例和对比例的锂二次电池在25℃下1C倍率充电到4.5V后1C放电至3V，记录放电容量为Q3，再将电池1C倍率充电到4.5V，记录电池厚度T1，随后将电池放在45℃恒温箱储存21天，记录储存后电池厚度T2。
将储存21天后的电池在25℃下1C放电至3V，记录放电容量Q4。由如下公式计算电池高温储存容量保持率和厚度膨胀率：容量保持率＝Q4/Q3×100％；厚度膨胀率＝((T2-T1)/T1)×100％
4、低温放电测试
将上述实施例和对比例的锂二次电池常温下1C电流下3～4.5循环一次，记录放电容量为Q5，随后将电池1C充满电后把电池搁置在-10℃条件下，1C电流放电，记录放电容量Q6，由如下公式计算电池低温放电容量保持率：低温放电容量保持率＝Q6/Q5×100％。
表2实施例和对比例中的电池的测试结果
Figure BDA0002743467960000101
通过对比实验例与对比例中的测试结果，说明本发明提供的电解液稳定性较高，能够提高锂二次电池在高电压下的高温循环性能、储存稳定性能和低温放电性能。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电解液，所述电解液包括有机溶剂、锂盐、第一添加剂和第二添加剂，其中，所述第一添加剂包括六甲基二硅氮烷和1,2,2,3-丙烷四甲腈，所述第二添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯或亚硫酸乙烯酯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的电解液，其中，所述六甲基二硅氮烷的加入量占电解液总重量的0.01wt％～0.1wt％。
3.根据权利要求2所述的电解液，其中，所述六甲基二硅氮烷的加入量占电解液总重量的0.02wt％～0.07wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电解液，其中，所述1,2,2,3-丙烷四甲腈的加入量占电解液总重量的0.01wt％～10wt％。
5.根据权利要求4所述的电解液，其中，所述1,2,2,3-丙烷四甲腈的加入量占电解液总重量的0.2wt％～6wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电解液，其中，所述第二添加剂的加入量占电解液总重量的0.5wt％～20wt％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电解液，其中，所述有机溶剂包括环状有机溶剂和/或线型有机溶剂，其中，所述环状有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯和γ-戊内酯中的一种或多种组合；所述线型有机溶剂选自碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和1,1,2,3-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电解液，其中，所述锂盐选自六氟磷酸锂、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、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂和双草酸硼酸锂中的一种或多种组合；和/或，
所述锂盐的使用量占电解液总质量的10-20wt％。
9.一种锂二次电池，其中，所述锂二次电池包括权利要求1-8任一项所述的电解液。
10.根据权利要求9所述的锂二次电池，其中，所述锂二次电池的上限电压高于或等于4.4V。
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