CN105161763A - 一种锂离子电池非水电解液及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池非水电解液及锂离子电池，该电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括含有以下化合物(A)和(B)的物质：(A)，其中R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-4的烃基，且R1、R2、R3中至少一个为含有叁键的不饱和烃基；(B)三(三甲基硅烷)磷酸酯。本发明的锂离子电池非水电解液使得锂离子电池获得较低的阻抗、较好的低温性能和高温性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池电解液技术领域，尤其涉及一种锂离子电池非水电解液及锂离子电池。
背景技术
目前非水电解液锂离子电池已经越来越多地被用于3C消费类电子产品市场，并且随着新能源汽车的发展，非水电解液锂离子电池作为汽车的动力电源系统也越来越普及。虽然这些非水电解液电池已经实用化，但在耐久性使用上还无法让人满意，特别是在高温45℃下使用寿命较短。特别是对于动力汽车和储能系统，非水电解液锂离子电池要求在寒冷地区也能正常工作，更要兼顾高低温性能。
在非水电解液锂离子电池中，非水电解液是影响电池高低温性能的关键因素，特别地，非水电解液中的添加剂对电池高低温性能的发挥尤其重要。目前实用化的非水电解液，使用的是传统的成膜添加剂如碳酸亚乙烯酯(VC)来保证电池优异的循环性能。但VC的高电压稳定性较差，在高电压高温条件下，很难满足45℃循环的性能要求。
专利文献US6919141B2公开一种含不饱和键的磷酸酯非水电解液添加剂，该添加剂可以降低锂离子电池的不可逆容量，提高锂电池的循环性能。类似地，专利文献201410534841.0也公开了一种含三键的磷酸酯化合物新型成膜添加剂，其不仅可以改善高温循环性能，还能明显改善储存性能。但本领域的科技工作者在研究中发现，三键的磷酸酯添加剂在电极界面所形成的钝化膜导电性较差，导致界面阻抗较大，明显劣化了低温性能，抑制了非水锂离子电池在低温条件下的应用。
发明内容
本发明提供一种高温特性好且阻抗低的锂离子电池非水电解液，进一步提供一种包括上述锂离子电池非水电解液的锂离子电池。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种锂离子电池非水电解液，包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，上述添加剂包括含有以下化合物(A)和(B)的物质：
(A)其中R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-4的烃基，且R1、R2、R3中至少一个为含有叁键的不饱和烃基；
(B)三(三甲基硅烷)磷酸酯。
作为本发明的进一步改进的方案，上述化合物(A)占上述电解液总重量的0.1％～2％，优选0.2％～1％；上述化合物(B)占上述电解液总重量的0.1％～5％，优选0.2％～1％。
作为本发明的进一步改进的方案，上述化合物(B)占上述电解液的重量与上述化合物(A)占上述电解液的重量之间的比值等于或大于0.2。
作为本发明的进一步改进的方案，上述化合物(A)选自如下化合物1～6中的一种或多种，
作为本发明的进一步改进的方案，上述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，上述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的一种或两种以上，上述链状碳酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯中的一种或两种以上。
作为本发明的进一步改进的方案，上述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3和LiN(SO2F)2中的一种或两种以上。
作为本发明的进一步改进的方案，上述添加剂还包括碳酸亚乙烯酯、1，3-丙烷磺内酯、氟代碳酸乙烯酯和乙烯基碳酸乙烯酯中的一种或两种以上。
根据本发明的第二方面，本发明提供一种锂离子电池，包括正极、负极和置于正极与负极之间的隔膜，还包括第一方面的锂离子电池非水电解液。
作为本发明的进一步改进的方案，上述正极选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1-yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V和Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
作为本发明的进一步改进的方案，上述锂离子电池的充电截止电压大于或等于4.35V。
本发明的锂离子电池非水电解液中含有化合物(A)，能在正、负极成膜，有效地保护正、负极，提高锂离子电池的高温性能，特别是高温循环性能；还含有三(三甲基硅烷)磷酸酯，主要是降低电池阻抗，提高电池低温性能。本发明的锂离子电池非水电解液通过化合物(A)和三(三甲基硅烷)磷酸酯的组合，使得锂离子电池获得较低的阻抗、较好的低温性能和高温性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明的一个实施方案提供一种锂离子电池非水电解液，包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，上述添加剂包括含有以下化合物(A)和(B)的物质：
(A)其中R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-4的烃基，且R1、R2、R3中至少一个为含有叁键的不饱和烃基；
(B)三(三甲基硅烷)磷酸酯。
在本发明的一个优选实施方案中，上述化合物(A)占上述电解液总重量的0.1％～2％，优选0.2％～1％；上述化合物(B)占上述电解液总重量的0.1％～5％，优选0.2％～1％。
本发明的上述实施方案中加入0.1％～2％的化合物(A)，能在正、负极成膜，有效地保护正、负极，提高锂离子电池的高温性能，特别是高温循环性能。当化合物(A)的含量小于0.1％时，其在正、负极的成膜效果较差，对性能起不到应有的改善作用；当其含量大于2％时，其在电极界面的成膜较厚，会严重增大电池阻抗，劣化电池性能。
本发明的上述实施方案中加入三(三甲基硅烷)磷酸酯(TMSP)，主要是降低电池阻抗，提高电池低温性能，当其含量小于0.1％时，其降低阻抗的效果有限，不能有效提高电池的低温性能；当其含量高于5％时，其会劣化高温性能。
本发明的上述实施方案中通过化合物(A)和TMSP的组合，使得锂离子电池获得较低的阻抗、较好的低温性能和高温性能。
在本发明的一个优选实施方案中，上述化合物(B)占上述电解液的重量与上述化合物(A)占上述电解液的重量之间的比值等于或大于0.2。当比值小于0.2时，其降低阻抗的效果有限，不能有效提高电池的低温性能。
在本发明的一个优选实施方案中，上述化合物(A)选自如下化合物1～6中的一种或多种，
在本发明的一个优选实施方案中，上述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，上述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的一种或两种以上，上述链状碳酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯中的一种或两种以上。
采用高介电常数的环状碳酸酯有机溶剂与低粘度的链状碳酸酯有机溶剂的混合液作为锂离子电池电解液的溶剂，使得该有机溶剂的混合液同时具有高的离子电导率、高的介电常数及低的粘度。
在本发明的一个优选实施方案中，上述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3和LiN(SO2F)2中的一种或两种以上，所述锂盐优选的是LiPF6或LiPF6与其它锂盐的混合物。
在本发明的一个优选实施方案中，上述添加剂还包括碳酸亚乙烯酯(VC)、1，3-丙烷磺内酯(1，3-PS)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)和乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)中的一种或两种以上。
上述成膜添加剂能在石墨负极表面形成更稳定的SEI膜，从而显著提高了锂离子电池的循环性能。
本发明的一个实施方案提供一种锂离子电池，包括正极、负极和置于正极与负极之间的隔膜，还包括第一方面的锂离子电池非水电解液。
在本发明的一个优选实施方案中，上述正极选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1-yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V和Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
在本发明的一个优选实施方案中，上述锂离子电池的充电截止电压大于或等于4.35V。
在本发明的一个实施例中，正极材料为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，负极材料为人造石墨，锂离子电池的充电截止电压等于4.35V。
以下通过具体实施例对本发明进行详细描述。应当理解，这些实施例仅是示例性的，并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
1)电解液的制备
将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)按质量比为EC:DEC:EMC＝1:1:1进行混合，然后加入六氟磷酸锂(LiPF6)至摩尔浓度为1mol/L，再加入按电解液的总质量计0.5％的化合物1(具体实施例中所指代的化合物1、化合物2……是指如上所罗列的对应编号的化合物，下面各例同理)所示的磷酸酯化合物，和按电解液的总质量计0.5％的TMSP。
2)正极板的制备
按93:4:3的质量比混合正极活性材料锂镍钴锰氧化物LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，导电碳黑Super-P和粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)，然后将它们分散在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，得到正极浆料。将浆料均匀涂布在铝箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上铝制引出线后得到正极板，极板的厚度在120-150μm。
3)负极板的制备
按94:1:2.5:2.5的质量比混合负极活性材料人造石墨，导电碳黑Super-P，粘结剂丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)，然后将它们分散在去离子水中，得到负极浆料。将浆料涂布在铜箔的两面上，经过烘干、压延和真空干燥，并用超声波焊机焊上镍制引出线后得到负极板，极板的厚度在120-150μm。
4)电芯的制备
在正极板和负极板之间放置厚度为20μm的聚乙烯微孔膜作为隔膜，然后将正极板、负极板和隔膜组成的三明治结构进行卷绕，再将卷绕体压扁后放入方形铝制金属壳中，将正负极的引出线分别焊接在盖板的相应位置上，并用激光焊接机将盖板和金属壳焊接为一体，得到待注液的电芯。
5)电芯的注液和化成
在露点控制在-40℃以下的手套箱中，将上述制备的电解液通过注液孔注入电芯中，电解液的量要保证充满电芯中的空隙。然后按以下步骤进行化成：0.05C恒流充电3min，0.2C恒流充电5min，0.5C恒流充电25min，搁置1hr后整形封口，然后进一步以0.2C的电流恒流充电至4.35V，常温搁置24hr后，以0.2C的电流恒流放电至3.0V。
6)高温循环性能测试
将电池置于恒温45℃的烘箱中，以1C的电流恒流充电至4.35V然后恒压充电至电流下降至0.1C，然后以1C的电流恒流放电至3.0V，如此循环500周，记录第1周的放电容量和第500周的放电容量，按下式计算高温循环的容量保持率：
容量保持率＝第500周的放电容量/第1周的放电容量*100％
7)高温储存性能测试
将化成后的电池在常温下用1C恒流恒压充至4.35V，测量电池初始放电容量，然后在60℃储存30天后，以1C放电至3V，测量电池的保持容量和恢复容量。计算公式如下：
电池容量保持率(％)＝保持容量/初始容量×100％；
电池容量恢复率(％)＝恢复容量/初始容量×100％。
8)低温性能测试
在25℃下，将化成后的电池用1C恒流恒压充至4.35V，然后用1C恒流放电至3.0V，记录放电容量。然后1C恒流恒压充至4.35V，置于-20℃的环境中搁置12h后，0.3C恒流放电至3.0V，记录放电容量。
-20℃的低温放电效率值＝0.3C放电容量(-20℃)/1C放电容量(25℃)×100％。
实施例2
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.5％的化合物2之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
实施例3
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.5％的化合物4之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
实施例4
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.5％的化合物5之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
对比例1
除了电解液的制备中不添加化合物1之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
对比例2
除了电解液的制备中不添加化合物1并且将0.5％的TMSP换成1％的TMSP之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
对比例3
除了电解液的制备中不添加TMSP之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
对比例4
除了电解液的制备中不添加TMSP并且将0.5％的化合物1换成1％的化合物1之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表1。
表1
由表1的数据可以看出，与不添加化合物1、2、4或5的电解液相比，添加了这些化合物的电解液的高温循环性能、高温储存性能明显提高；与不添加TMSP的电解液相比，添加了该化合物的电解液的低温性能明显提高。同时添加化合物1、2、4或5以及TMSP的电解液的高温循环性能、高温储存性能和低温性能均良好。
实施例5
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.2％的化合物1，将0.5％的TMSP换成0.2％的TMSP之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表2。
实施例6
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成1％的化合物1之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表2。
实施例7
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成2％的化合物1，将0.5％的TMSP换成1％的TMSP之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表2。
表2
由表2的数据可以看出，当化合物1的含量由0.2％提高到2％时，高温循环性能、高温储存性能逐渐提高；当TMSP的含量由0.2％提高到1％时，低温性能有提高的趋势，并且随着TMSP与化合物1比例的增加，低温性能有提高的趋势。
实施例8
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.2％的化合物1，将0.5％的TMSP换成0.2％的TMSP，并且添加1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
实施例9
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.2％的化合物1，将0.5％的TMSP换成0.2％的TMSP，并且添加1％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
实施例10
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1换成0.2％的化合物1，将0.5％的TMSP换成0.2％的TMSP，并且添加1％的乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
对比例5
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
对比例6
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
对比例7
除了电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表3。
表3
由表3的数据可以看出，在添加VC、FEC或VEC的基础上，进一步添加化合物1可以使电池获得更好的高温循环性能和高温储存性能，进一步添加TMSP可以使电池的低温性能显著提高。
实施例11
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及电解液的制备中额外添加1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
实施例12
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiNi0.8Co0.15Al0.05O2及电解液的制备中额外添加1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
实施例13
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiCoO2及电解液的制备中额外添加1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
实施例14
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiMn2O4及电解液的制备中额外添加1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
对比例8
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
对比例9
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiNi0.8Co0.15Al0.05O2及电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
对比例10
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiCoO2及电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
对比例11
除了将正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2换成LiMn2O4及电解液的制备中将0.5％的化合物1和0.5％的TMSP换成1％的碳酸亚乙烯酯(VC)之外，其它与实施例1相同，测试得到的高温循环性能、高温储存性能和低温性能的数据见表4。
表4
由表4的数据可以看出，在以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiCoO2、LiMn2O4为正极材料的锂离子电池中，添加化合物1也可以改善电池的高温循环性能和高温储存性能，同时添加TMSP可以提高电池的低温性能。
综上所述，在本发明的锂离子电池非水电解液中加入三(三甲基硅烷)磷酸酯，能够使得锂离子电池获得较低的阻抗、较好的低温性能和高温性能。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池非水电解液，其特征在于，包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括含有以下化合物(A)和(B)的物质：
(A)其中R1、R2、R3分别独立地选自碳原子数为1-4的烃基，且R1、R2、R3中至少一个为含有叁键的不饱和烃基；
(B)三(三甲基硅烷)磷酸酯。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述化合物(A)占所述电解液总重量的0.1％～2％，优选0.2％～1％；所述化合物(B)占所述电解液总重量的0.1％～5％，优选0.2％～1％。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述化合物(B)占所述电解液的重量与所述化合物(A)占所述电解液的重量之间的比值等于或大于0.2。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述化合物(A)选自如下化合物1～6中的一种或多种，
5.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸丁烯酯中的一种或两种以上，所述链状碳酸酯选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3和LiN(SO2F)2中的一种或两种以上。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池非水电解液，其特征在于，所述添加剂还包括碳酸亚乙烯酯、1，3-丙烷磺内酯、氟代碳酸乙烯酯和乙烯基碳酸乙烯酯中的一种或两种以上。
8.一种锂离子电池，包括正极、负极和置于正极与负极之间的隔膜，其特征在于，还包括权利要求1至7任意一项所述的锂离子电池非水电解液。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极选自LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCo1-yMyO2、LiNi1-yMyO2、LiMn2-yMyO4和LiNixCoyMnzM1-x-y-zO2中的一种或两种以上，其中，M选自Fe、Co、Ni、Mn、Mg、Cu、Zn、Al、Sn、B、Ga、Cr、Sr、V和Ti中的一种或两种以上，且0≤y≤1，0≤x≤1，0≤z≤1，x+y+z≤1。
10.根据权利要求8或9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的充电截止电压大于或等于4.35V。
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