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CN108878978A - 一种含有机硅添加剂的防过充锂电池电解液 - Google Patents

一种含有机硅添加剂的防过充锂电池电解液 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，所述电解液包括锂盐、复合溶剂和添加剂A，所述添加剂A为一种有机硅衍生物，其结构通式为：其以硅氧键为主链，其中n1为2‑20内的自然数，在分子的主体结构上含有四个联苯类结构以便过充时形成交联的电化学聚合物，更好的防护电池。

Description

一种含有机硅添加剂的防过充锂电池电解液
技术领域
本发明涉及锂离子电池制备技术领域，尤其涉及一种含有机硅添加剂的防过充锂电池电解液。
背景技术
随着经济的发展和科技的进步，便携式电子设备、混合动力车、电动汽车等越来越广泛地深入到人们的生产生活当中，这些设备中，锂离子电池的应用非常广泛。然而，安全问题却层出不穷，过程是锂离子电池使用中最易发生的安全问题之一。由于目前的锂离子电池多使用极其燃烧的碳酸酯类有机电解液，电池在过充过放以及过热极有可能引发电池的燃烧甚至爆炸，因而给电池、特别是动力电池造成很大的安全隐患。通过提高电解液的稳定性，如添加防过充的化合物是加强锂离子电池安全性的一个重要方法。
目前防过充电解液主要有两种类型：氧化还原型和电聚合型。氧化还原型如苯甲醚及其衍生物，其特点是过充保护机制可逆，可以重复多次进行过充保护，但是苯甲醚类氧化电势较低，在低于锂离子正常工作电压(4.2V)就开始发生氧化还原反应，不适合在某些高电压锂离子电池中使用。而电聚合型主要是简单的环己苯、二甲苯、联苯类化合物化合物，这类化合物可以在电池超过一定电压时发生聚合反应，使电极表面被覆盖来增大电池内阻，钳制充电电流来保护电池。但这类化合物，容易燃烧，过充时形成的保护膜不够充分速度较慢，对电池保护不够，且影响电池的循环性能。
专利文献CN107946648A公开了在锂电池电解液中添加1,1’-联苯添加剂，添加剂能够在锂电池过充时优先于电解液发生氧化分解，隔断电解液与电极表面的接触，提升安全性能，但是这种添加剂防过充效果不明显，且会严重影响电池的循环性能和低温性能。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种防过充锂电池电解液，所述防过充电解液能够在电池过充的时候更加迅速高效的形成致密的交联网状的点化学聚合物覆盖于极片表面，更好地保护电池，不冒烟、不起火、不爆炸，明显提高电池的安全性能，且不影响电池的循环性能和低温性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于：所述电解液包括锂盐、复合溶剂和添加剂A，所述添加剂A为一种有机硅衍生物，具有特殊的分子结构，其结构通式如下所示：
其以硅氧键为主链，在分子的主体结构上含有四个联苯类结构，其中n1为1-100内的自然数。添加剂A在过充时形成交联的电化学聚合物，能够更好的防护电池。
其中n2、n3、n4、n5各自独立的为2-5内的自然数。
n2、n3、n4、n5可以相同，也可以不同。
R1、R2、R3、R4各自独立的为甲基、乙基、正丙基、异丙基、甲氧基、乙氧基、苯基中的一种。
R1、R2、R3、R4可以为相同基团，也可以分别为不同的基团。
R5、R6、R7、R8各自独立的为氟、氯、溴、氰基、羧基、三氟乙酰基、羧基、羧酸锂盐、磺酸基、磺酸锂盐中的一种。
R5、R6、R7、R8可以为相同基团，也可以分别为不同的基团。
优选其加入量为该锂离子电池电解液总质量的0.5％-10％。
所述锂盐为无机锂盐、有机硼酸锂、磺酰亚胺类锂盐中的至少一种；所述复合溶剂为碳酸酯类溶剂如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯或聚碳酸酯中的至少两种溶剂。
本发明进一步提供一种锂电池，其采用如上文所述的电解液。本发明的电解液适用于普通锂离子电池及动力锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过加入防过充添加剂，并且进一步的对现有的防过充添加剂进行改性，结合有机硅的一些特性，发明了一种含有有机硅添加剂(添加剂A)的防过充电解液，由于该添加剂分子结构中含有多个联苯类基团，可以在过充时候更加迅速高效的形成致密的交联网状的电化学聚合物，较普通的单体联苯类化合物能形成更致密的电化学聚合物覆盖于极片表面，这样对电池保护的更充分，从而具有更好的防过充能力，安全性更高。
2、由于有机硅类化合物具有优良的热稳定性、低可燃性、低挥发度、低粘度、温粘系数小、表面张力小、迁移性好、耐高低温、高分解电压等优点，所以在过充时较一般的防过充电解液更加不易燃烧，更能耐高电压而不易分解。
3、由于有机硅类化合物粘度低，且温粘系数小，加入添加剂A时，不会影响电解液的低温性能和循环性能。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的配方、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
以下以添加剂A通式中的n2＝n3＝n4＝n5＝2，R1、R2、R3、R4＝CH3，R5、R6、R7、R8＝Cl为例，对本发明进行进一步详细说明。
添加剂A的合成方法如下：
1、二甲基四(3’-氯)联苯基二硅氧烷的合成
将450g甲基二(3’-氯)联苯基乙氧基硅烷和450mL LiOH水溶液(约5％质量分数)按顺序加入反应釜中，1h内缓慢升温至100℃，然后保温反应15-20h，当馏出物折射率接近1.333时，结束反应。自然冷却至室温，过滤，多次水洗至中性，再抽滤，最后将所得物于95℃真空干燥10h，得到二甲基四(3’-氯)联苯基二硅氧烷。反应方程式如下所示：
2、化合物的A合成
将96g二甲基四(3’-氯)联苯基二硅氧烷与228g八甲基环四硅氧烷以及7.3g浓硫酸加入到反应釜中，充N2保护，60-65℃下聚合反应12h，冷至室温，以饱和碳酸钠溶液洗至中性，接着再以去离子水洗两次，油水分离后收取油相，然后减压蒸馏去除油相中残留水份得到化合物A。反应方程式如下所示：
实施例1：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:2:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.0mol/L；最后再添加质量百分含量为2％的上述化合物A作为添加剂得到所需电解液。
实施例2：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:3:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.0mol/L；最后再添加质量百分含量为2％的上述化合物A作为添加剂得到所需电解液。
实施例3：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸二乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:2:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.1mol/L；最后再添加质量百分含量为2％的上述化合物A作为添加剂得到所需电解液。
实施例4：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸二乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:3:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.1mol/L；最后再添加质量百分含量为2％的上述化合物A作为添加剂得到所需电解液。
实施例5：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂：甲酸甲酯＝1:2:2:2:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.2mol/L；最后再添加质量百分含量为3％的上述化合物A作为添加剂得到所需电解液。
对比例1：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:2:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.0mol/L，得到对比例1所需电解液。
对比例2：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂＝1:2:3:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.0mol/L，最后再添加质量百分含量为2％的1,1’-联苯作为添加剂得到所需电解液得到对比例2所需电解液。
对比例3：
在充满氩气的手套箱中(H2O<15ppm)，以质量比为碳酸二甲酯：碳酸甲乙脂：碳酸乙烯酯：碳酸丙烯脂：甲酸甲酯＝1:2:2:2:1混合均匀，然后溶解六氟磷酸锂(LiPF6)于上述混合液中，六氟磷酸锂物质的量浓度为1.2mol/L，最后再添加质量百分含量为3％的1,1’-联苯作为添加剂得到所需电解液得到对比例3所需电解液。
实验测试数据项目：
1，将所有实施例和对比例配置后的电解液注入同批次同型号的动力电池中，测试电池在3-4.2V下常温环境进行1C充电放电的循环性能。
2，将所有实施例和对比例配置后的电解液注入同批次同型号的动力电池中，测试电池在-20℃下低温放电性能。
3，将所有实施例和对比例配置后的电解液注入同批次同型号的动力电池中，测试电池在10V充电电压下的防过充性能。
试验数据如下表1：
由表中实施例和对比例的电解液在同样同批次的的电池中测试效果可知：在普通电解液中加入添加剂A后其对电池常温1C循环性能没有产生不良影响，而普通的防过充添加剂(如1,1’-联苯)的加入却导致电芯循环性能的下降；同样的，由于有机硅化合物具有低粘度、温粘系数小、表面张力小、迁移性好、耐高低温、的优点，所以含有添加剂A的电解液，有更好的低温性能；更重要的由于有机硅类化合物具有优良的热稳定性、低可燃性、低挥发度、高分解电压等优点，含有添加剂A的电解液在充电电压达到10V时仍然未胀气、未爆炸，具有优异的防过充性能，而普通电解液在充电电压未到10V时已经发生胀气爆炸，添加了1,1’-联苯的电解液虽然在加入量较大(加入3％的质量分数)时没有爆炸，但是电池发生了严重的胀气，当加入量较少时(加入2％的质量分数)发生了爆炸，防过充能力较差。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于：所述电解液包括锂盐、复合溶剂和添加剂A，所述添加剂A为一种有机硅衍生物，其结构通式如下所示：
其以硅氧键为主链，在分子的主体结构上含有四个联苯类结构。
2.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，其中，n1为1-100内的自然数，n2、n3、n4、n5各自独立的为2-5内的自然数。
3.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，R1、R2、R3、R4各自独立的为甲基、乙基、正丙基、异丙基、甲氧基、乙氧基、苯基中的一种。
4.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，R5、R6、R7、R8各自独立的为氟、氯、溴、氰基、羧基、三氟乙酰基、羧基、羧酸锂盐、磺酸基、磺酸锂盐中的一种。
5.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，添加剂A的加入量为该锂离子电池电解液总质量的0.5％-10％。
6.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐为无机锂盐、有机硼酸锂、磺酰亚胺类锂盐中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的含有机硅添加剂的防过充锂离子电池电解液，其特征在于，所述复合溶剂为碳酸酯类溶剂如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯或聚碳酸酯中的至少两种溶剂。
8.一种锂电池，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的电解液。
9.一种化合物A，其特征在于，所述化合物A为一种有机硅衍生物，其结构通式为：
其中n1为1-100内的自然数，n2、n3、n4、n5各自独立的为2-5内的自然数，R1、R2、R3、R4各自独立的为甲基、乙基、正丙基、异丙基、甲氧基、乙氧基、苯基中的一种，R5、R6、R7、R8各自独立的为氟、氯、溴、氰基、羧基、三氟乙酰基、羧基、羧酸锂盐、磺酸基、磺酸锂盐中的一种。
10.一种如权利要求9所述化合物用于锂离子电池电解液的用途。
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