CN112803069A - 一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池。所述非水电解液包括锂盐、非水有机溶剂、式1所示的化合物和式2所示的化合物；

Description

一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子 电池
技术领域
本发明属于锂离子电池用电解液技术领域，具体涉及一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池自从商业化以来，因它的轻便、比能量高、无记忆效应、循环性能好，被广泛用于数码、储能、动力、军用航天和通讯设备等领域。随着锂离子电池的广泛应用，消费者对锂离子电池的能量密度、循环寿命、高温性能、安全性等性能提出了更高的要求。提高能量密度，一方面可以通过提高正极的充电电压，或者采用容量更好的硅负极，另一方面希望提高电池的设计，更高的压实更高的面密度，让单位体积集流体上获得更多的活性物质，再就是通过降低铜箔、铝箔等的厚度，提高能量密度。
目前，大多数锂离子电池产品存在高温性能和低温性能不能兼顾的问题，为此通常在电解液中加入添加剂进行锂离子电池高低温性能的改善。但是，一般的添加剂具有较优的高温作用时，阻抗则较大，而低阻抗添加剂的高温效果又有所欠缺，难以获得高低温性能兼顾的锂离子电池用非水电解液。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明提供一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池。所述非水电解液包括两类具有协同作用的化合物，通过它们之间的协同作用，可以降低锂离子电池的阻抗，且使得所述锂离子电池具有较优的高温存储性能、循环性能和低温充放电性能。
本发明通过如下技术方案实现的：
一种非水电解液，所述非水电解液包括锂盐和非水有机溶剂，所述非水电解液还包括式1所示的化合物中的至少一种和式2所示的化合物中的至少一种；
Figure BDA0002873574820000021
其中，R1、R2相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C6的烷基、取代或未取代的C2-C5的烯基、或取代或未取代的C2-C5的炔基；取代基选自卤素、氰基；
R3、R4、R5相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C6的烷基、取代或未取代的C2-C5的烯基、或取代或未取代的C2-C5的炔基；取代基选自卤素、氰基。
优选地，R1、R2相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C3的烷基；取代基选自卤素、氰基。
优选地，R3、R4、R5相同或不同，彼此独立地选自卤素、取代或未取代的C1-C3的烷基；取代基选自卤素、氰基。
优选地，所述卤素选自F、Cl或Br，还优选为F。
根据本发明，所述式1所示的化合物选自如下化合物A1～A5中的至少一种：
Figure BDA0002873574820000022
Figure BDA0002873574820000031
根据本发明，所述式2所示的化合物选自如下B1～B5中的至少一种：
Figure BDA0002873574820000032
根据本发明，所述式1所示的化合物的含量占所述非水电解液总质量的0.1-10wt％，优选为0.2-4wt％；例如为0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、1.0wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％，7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％。
根据本发明，所述式2所示的化合物的含量占所述非水电解液总质量的0.1-8wt％，优选为0.5-4wt％；例如为0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、1.0wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％，7wt％、7.5wt％、8wt％。
根据本发明，所述非水电解液还包括以下添加剂中的一种或几种：碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、葵二腈、1,3,6-己烷三腈、3-甲氧基丙腈、甘油三腈、1,2-二(2-氰乙氧基)乙烷、1,3-丙磺酸内酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯。
根据本发明，所述锂盐选自六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、二氟双草酸磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、六氟锑酸锂、六氟砷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(五氟乙基磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂或二(三氟甲基磺酰)亚胺锂中的一种或两种以上。
根据本发明，所述锂盐的含量占所述非水电解液总质量的12-18wt％，例如为12wt％、12.5wt％、13wt％、13.5wt％、14wt％、14.5wt％、15wt％、15.5wt％、16wt％、16.5wt％、17wt％、17.5wt％、18wt％。
根据本发明，所述非水有机溶剂选自碳酸酯和/或羧酸酯。
示例性地，所述碳酸酯选自氟代或未取代的下述溶剂中的一种或几种：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯。
示例性地，所述羧酸酯选自氟代或未取代的下述溶剂中的一种或几种：乙酸丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸正戊酯、乙酸异戊酯、丙酸乙酯、丙酸正丙酯、丁酸甲酯、正丁酸乙酯。
本发明还提供上述非水电解液的制备方法，所述方法包括如下步骤：
将锂盐、非水有机溶剂、式1所示的化合物中的至少一种和式2所示的化合物中的至少一种混合，制备得到所述非水电解液。
示例性地，所述方法包括如下步骤：
将非水有机溶剂、式1所示的化合物中的至少一种和式2所示的化合物中的至少一种均匀混合，检测水分，水分合格后，在-10℃左右的低温下冷冻2-5小时，再加入锂盐，水分、游离酸检测合格后，制备得到所述非水电解液。
本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的非水电解液。
根据本发明，所述锂离子电池还包括含有正极活性材料的正极片、含有负极活性材料的负极片和隔膜。
根据本发明，所述的正极活性材料选自锂过渡金属复合氧化物中的一种或几种；所述的锂过渡金属复合氧化物的化学式为Li1+xNiyCozM(1-y-z)Qt，其中，-0.1≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，且0≤y+z≤1，2≤t≤6；其中，M为Mg、Zn、Ga、Ba、Al、Fe、Cr、Sn、V、Mn、Sc、Ti、Nb、Mo、Zr中的一种或几种；Q为O、F、P、S、Si中的一种或几种。
根据本发明，所述的负极活性材料选自碳基材料、硅基材料、锡基材料或它们对应的合金材料中的一种或几种。
根据本发明，所述的锂离子电池的工作电压范围为4.25V及以上电压。
术语与解释：
术语“卤素”指F、Cl、Br和I。
术语“C1-C6的烷基”应理解为优选表示具有1～6个碳原子的直链或支链饱和一价烃基，优选为C1-C5的烷基。“C1-C6的烷基”应理解为优选表示具有1、2、3、4、5或6个碳原子的直链或支链饱和一价烃基。所述烷基是例如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、异戊基、2-甲基丁基、1-甲基丁基、1-乙基丙基、1,2-二甲基丙基、新戊基、1,1-二甲基丙基、4-甲基戊基、3-甲基戊基、2-甲基戊基、1-甲基戊基、2-乙基丁基、1-乙基丁基、3,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、1,1-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基或1,2-二甲基丁基等或它们的异构体。特别地，所述基团例如甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基，更特别地，所述基团具有1、2或3个碳原子(“C1-3的烷基”)，例如甲基、乙基、正丙基或异丙基。
术语“C2-5的烯基”应理解为优选表示直链或支链的一价烃基，其包含一个或多个双键并且具有2、3、4或5个碳原子，特别是2或3个碳原子(“C2-3的烯基”)，应理解，在所述烯基包含多于一个双键的情况下，所述双键可相互分离或者共轭。所述烯基是例如乙烯基、烯丙基、(E)-2-甲基乙烯基、(Z)-2-甲基乙烯基、(E)-丁-2-烯基、(Z)-丁-2-烯基、(E)-丁-1-烯基、(Z)-丁-1-烯基、戊-4-烯基、(E)-戊-3-烯基、(Z)-戊-3-烯基、(E)-戊-2-烯基、(Z)-戊-2-烯基、(E)-戊-1-烯基、(Z)-戊-1-烯基、己-5-烯基、(E)-己-4-烯基、(Z)-己-4-烯基、(E)-己-3-烯基、(Z)-己-3-烯基、(E)-己-2-烯基、(Z)-己-2-烯基、(E)-己-1-烯基、(Z)-己-1-烯基、异丙烯基、2-甲基丙-2-烯基、1-甲基丙-2-烯基、2-甲基丙-1-烯基、(E)-1-甲基丙-1-烯基、(Z)-1-甲基丙-1-烯基、3-甲基丁-3-烯基、2-甲基丁-3-烯基、1-甲基丁-3-烯基、3-甲基丁-2-烯基、(E)-2-甲基丁-2-烯基、(Z)-2-甲基丁-2-烯基、(E)-1-甲基丁-2-烯基、(Z)-1-甲基丁-2-烯基、(E)-3-甲基丁-1-烯基、(Z)-3-甲基丁-1-烯基、(E)-2-甲基丁-1-烯基、(Z)-2-甲基丁-1-烯基、(E)-1-甲基丁-1-烯基、(Z)-1-甲基丁-1-烯基、1,1-二甲基丙-2-烯基、1-乙基丙-1-烯基、1-丙基乙烯基、1-异丙基乙烯基。
术语“C2-C5的炔基”应理解为表示直链或支链的一价烃基，其包含一个或多个三键并且具有2～5个碳原子，特别是2或3个碳原子(“C2-C3的炔基”)。所述炔基是例如乙炔基、丙-1-炔基、丙-2-炔基、丁-1-炔基、丁-2-炔基、丁-3-炔基、戊-1-炔基、戊-2-炔基、戊-3-炔基、戊-4-炔基、己-1-炔基、己-2-炔基、己-3-炔基、己-4-炔基、己-5-炔基、1-甲基丙-2-炔基、2-甲基丁-3-炔基、1-甲基丁-3-炔基、1-甲基丁-2-炔基、3-甲基丁-1-炔基、1-乙基丙-2-炔基。特别地，所述炔基是乙炔基、丙-1-炔基或丙-2-炔基。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种锂离子电池用非水电解液及包括该非水电解液的锂离子电池。本发明采用的非水电解液包括两类化合物，其中，第一类化合物(式1所示化合物)具有相对更低的反应电位，可以优先在正负极极片表面形成致密且阻抗降低的膜，第二类化合物(式2所示的化合物)可在正负极形成低阻抗的SEI膜，同时保护正极，减少高电压下正极过渡金属离子的溶出。本发明通过它们之间的协同作用，在保护正极的同时，负极也起到一定的保护作用，且膜阻抗较低，电池具有较优的高温存储性能、循环性能和低温充放电性能。
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。
对比例1
(1)正极片制备
将正极活性材料4.4V钴酸锂(LCO)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)、导电剂乙炔黑按照重量比97:1.5:1.5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、分切得到正极片。
(2)负极片制备
将负极活性材料石墨、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、粘结剂丁苯橡胶、导电剂乙炔黑按照重量比97:1:1:1进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在厚度为8μm的铜箔上；将铜箔在室温晾干后转移至80℃烘箱干燥10h，然后经过冷压、分切得到负极片。
(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、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、丙酸正丙酯、氟代碳酸乙烯酯，按照质量比14:9:9:59.5:8.5的比例混合均匀(溶剂和添加剂需一起进行归一化)，将溶剂在-10℃左右的低温下冷冻2-5h，然后往其中快速加入14.5wt％的充分干燥的六氟磷酸锂(LiPF6)，搅拌均匀，经过水分和游离酸检测合格后，得到对比例1的电解液。
(4)隔膜的制备
选用8μm厚的聚乙烯隔膜(旭化成公司提供)。
(5)锂离子电池的制备
将上述准备的正极片、隔膜、负极片按顺序叠放好，保证隔膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后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，获得所需的锂离子电池。
(6)5℃低温循环实验
测试前测试满电电芯的厚度D0，将电池置于(5±2)℃环境中，静置3小时，待电芯本体达到(5±2)℃时，电池按照0.3C充到4.4V，再4.4V恒压充到截止电流0.05C，再以0.5C放电到3V，记录初始容量Q0，当循环达到所需的次数或容量衰减率低于70％或厚度超过测试要求的厚度时，以前一次的放电容量作为电池的容量Q1，计算容量保持率(％)，再把电池满电，电芯取出后，常温静置3小时，测试满电厚度D1，计算厚度变化率(％)，记录结果如表2。其中用到的计算公式如下：
厚度变化率(％)＝(D1-D0)/D0×100％；容量保持率(％)＝Q1/Q0×100％。
(7)25℃常温循环实验
测试前测试满电电芯的厚度D0，将电池置于(25±3)℃环境中，静置3小时，待电芯本体达到(25±3)℃时，电池按照1C充到4.2V，再0.7C充到4.4V，再4.4V恒压充到截止电流0.05C，再以0.5C放电到3V，记录初始容量Q0，当循环达到所需的次数或容量衰减率低于70％或厚度超过测试要求的厚度时，以前一次的放电容量作为电池的容量Q2，计算容量保持率(％)，再把电池满电，电芯取出后，常温静置3小时，测试满电厚度D2，计算厚度变化率(％)，记录结果如表2。其中用到的计算公式如下：
厚度变化率(％)＝(D2-D0)/D0×100％；容量保持率(％)＝Q2/Q0×100％。
(8)45℃高温循环实验
测试前测试满电电芯的厚度D0，将电池置于(45±3)℃环境中，静置3小时，待电芯本体达到(45±3)℃时，电池按照0.7C恒流充到4.4V，在4.4V恒压充到截止电流0.05C，再以0.5C放电，记录初始容量Q0，如此循环，当循环达到所需的次数或容量衰减率低于70％或厚度超过测试要求的厚度时，以前一次的放电容量作为电池的容量Q3，计算容量保持率(％)，再把电池满电，芯取出后，常温静置3小时，测试此时满电厚度D3，计算厚度变化率(％)，记录结果如表2。其中用到的计算公式如下：
厚度变化率(％)＝(D3-D0)/D0×100％；容量保持率(％)＝Q3/Q0×100％。
(9)60℃高温存储实验
在25℃下，测试满电电芯的厚度D0，将分选后的电池按照0.7C充到4.4V，再4.4V恒压充到截止电流0.05C，然后用0.5C恒流放电至3.0V，然后0.7C充到4.4V，再4.4V恒压充到截止电流0.05C，置于60℃的环境中搁置14天后，测试满电厚度D4，计算厚度变化率(％)，记录结果如表2。其中用到的计算公式如下：
厚度变化率(％)＝(D4-D0)/D0×100％。
实施例1-13和对比例2-7
实施例1-13和对比例2-7的制备过程同对比例1，区别仅在于电解液的组分及含量不同，具体为：
在充满氩气水氧含量合格的手套箱中，将碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、丙酸正丙酯、氟代碳酸乙烯酯，按照质量比14:9:9:59.5:8.5的比例混合均匀(溶剂和添加剂需一起进行归一化)，然后往其中快速加入添加剂(式1所示的化合物中的至少一种和式2所示的化合物中的至少一种，以及1,3-丙磺酸内酯)，将混合溶液在-10℃左右的低温下冷冻2-5h，然后往其中快速加入14.5wt％的充分干燥的六氟磷酸锂(LiPF6)，搅拌均匀，经过水分和游离酸检测合格后，得到实施例1-13和对比例2-7的电解液。
具体添加的组分及含量如表1所示。测试结果列于表2中。
表1实施例1-13和对比例1-7的电解液中添加剂的组成和含量
Figure BDA0002873574820000101
从表2可以看出，本申请实施例制备得到的电池均取得了更好的电学性能，通过电池的循环过程中容量保持率和厚度膨胀率的改善幅度能够证明本申请的电解液中各组分之间存在协同作用，具体分析如下所述：
表2实施例1-13和对比例1-7的电池的实验结果对比
Figure BDA0002873574820000111
通过对比例1和对比例2-7对比可发现，在空白电解液基础上，添加式1所示的化合物或式2所示的化合物可以一定程度上改善电池的循环性能、高温存储性能，同时具有较优的低温性能。
通过对比例2-7和实施例1-13(特别是实施例2，6，9-11)对比可发现，式1所示的化合物和式2所示的化合物的组合相比单一的化合物，该组合可更有效地改善电池的循环性能、高温存储性能，同时具有较优的低温性能。
通过实施例2-3和实施例1，4对比可发现，在式2所示的化合物的基础上添加式1所示的化合物的含量偏低时，对电池的循环性能、高温存储性能及低温性能改善不明显，添加式1所示的化合物的含量偏高时，对电池的高温存储和低温性能有轻微的劣化。
通过实施例6-7和实施例5，8对比可发现，在式1所示的化合物的基础上添加式2所示的化合物的含量偏低时，对电池的循环性能、高温存储性能及低温性能改善不明显；添加式2所示的化合物的含量偏高时，会轻微劣化电池的常温循环性能和低温性能，高温存储性能更优。
通过实施例2和实施例12，实施例10和实施例13对比可发现，在式1所示的化合物和式2所示的化合物的基础上，增加1,3-丙磺酸内酯可以进一步改善电池的循环性能和高温存储性能，同时具有较优的低温性能。
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)

1.一种非水电解液，所述非水电解液包括锂盐和非水有机溶剂，所述非水电解液还包括式1所示的化合物中的至少一种和式2所示的化合物中的至少一种；
Figure FDA0002873574810000011
其中，R1、R2相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C6的烷基、取代或未取代的C2-C5的烯基、或取代或未取代的C2-C5的炔基；取代基选自卤素、氰基；
R3、R4、R5相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C6的烷基、取代或未取代的C2-C5的烯基、或取代或未取代的C2-C5的炔基；取代基选自卤素、氰基。
2.根据权利要求1所述的非水电解液，其中，R1、R2相同或不同，彼此独立地选自氢、卤素、取代或未取代的C1-C3的烷基；取代基选自卤素、氰基；
和/或，R3、R4、R5相同或不同，彼此独立地选自卤素、取代或未取代的C1-C3的烷基；取代基选自卤素、氰基。
3.根据权利要求1所述的非水电解液，其中，所述式1所示的化合物选自如下化合物A1～A5中的至少一种：
Figure FDA0002873574810000021
4.根据权利要求1-3任一项所述的非水电解液，其中，所述式2所示的化合物选自如下B1～B5中的至少一种：
Figure FDA0002873574810000022
5.根据权利要求1-4任一项所述的非水电解液，其中，所述式1所示的化合物的含量占所述非水电解液总质量的0.1-10wt％，优选为0.2-4wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的非水电解液，其中，所述式2所示的化合物的含量占所述非水电解液总质量的0.1-8wt％，优选为0.5-4wt％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的非水电解液，其中，所述非水电解液还包括以下添加剂中的一种或几种：碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、甲烷二磺酸亚甲酯、硫酸乙烯酯、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、葵二腈、1,3,6-己烷三腈、3-甲氧基丙腈、甘油三腈、1,2-二(2-氰乙氧基)乙烷、1,3-丙磺酸内酯、丙烯基-1,3-磺酸内酯。
8.根据权利要求1-7任一项所述的非水电解液，其中，所述锂盐选自六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、二氟双草酸磷酸锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂、六氟锑酸锂、六氟砷酸锂、二(三氟甲基磺酰)亚胺锂、二(五氟乙基磺酰)亚胺锂、三(三氟甲基磺酰)甲基锂或二(三氟甲基磺酰)亚胺锂中的一种或两种以上。
9.一种锂离子电池，所述锂离子电池包括权利要求1-8任一项所述的非水电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其中，所述锂离子电池的工作电压范围为4.25V及以上电压。
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