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CN110838595B - 一种锂离子电池电解液及其应用 - Google Patents

一种锂离子电池电解液及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，所述的添加剂包括如结构式(1)所示的含氟非离子表面活性剂，
Figure DDA0001765624260000011
其中R1、R3独立的选自氟代烷基、氟代烷氧基、氟代苯基、氟代苯氧基以及由O、S、N以及P构成的氟代基团中的一种，其中氟代为全取代或部分取代；R2独立的选自烷基、烷氧基、由O、S、N以及P构成的基团，n为3～12的整数。本发明的锂离子电池电解液的浸润性高，使用该电解液的锂离子电池具有良好的高温输出特性、倍率及循环性能。

Description

一种锂离子电池电解液及其应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池电解液及其应用。
背景技术
锂离子电池越来越广泛地深入到人们的生产生活当中，这使得它的安全问题成为关注的要点，锂电池安全问题在电解质方面的解决途径：途径一：全固态锂离子电池电解质的研究，目前还在研发阶段，还不成熟，产业化路程还很漫长；途径二：对现有锂离子电池电解液体系的改进，即使用难燃甚至不燃溶剂(含氟的溶剂)或者阻燃剂是解决目前锂离子电池电解液易燃问题最有希望的途径之一，它们对电池性能损害较小，抑制电解液燃烧的效果明显。但是难燃甚至不燃溶剂一般粘度都较大，电池吸液困难，需要加入一定量的表面活性剂即浸润剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高浸润性的锂离子电池电解液及其应用，使用该电解液的锂离子电池具有良好的高温输出特性、倍率及循环性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一个目的是提供一种锂离子电池电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，所述的添加剂包括如结构式(1)所示的含氟非离子表面活性剂，
Figure BDA0001765624240000011
其中R1、R3独立的选自氟代烷基、氟代烷氧基、氟代苯基、氟代苯氧基以及由O、S、N以及P构成的氟代基团中的一种，其中氟代为全取代或部分取代；R2独立的选自烷基、烷氧基、由O、S、N以及P构成的基团，n为3～12的整数。
优选地，所述的含氟非离子表面活性剂为全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚和/或油酸聚乙二醇磷酸酯。
优选地，所述的含氟非离子表面活性剂的添加量为所述的锂离子电池电解液总质量的0.001％～2％，进一步优选为0.05％～1％，更优选为0.1％～0.5％。
优选地，所述的添加剂还包括占所述的锂离子电池电解液总质量0.01％～20％的其他添加剂，进一步优选地，所述的其他添加剂的添加量为所述的锂离子电池电解液总质量的0.1％～10％，更优选为0.1％～5％。
进一步优选地，所述的其他添加剂为碳酸亚乙烯酯(VC)、1,3-丙烷磺内酯(PS)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、联苯(BP)、环己基苯(CHB)、硫酸丙烯酯(TSA)、磷酸三辛酯(TOP)、硫酸乙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、二氟磷酸锂中的一种或多种。
优选地，所述的锂盐为六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、无水高氯酸锂(LiClO4)、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)、二氟二草酸磷酸锂(LiPF2(C2O4)2)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、三氟甲基磺酸锂(LiSO3CF3)、二草酸硼酸锂(LiC2O4BC2O4)、单草酸双氟硼酸锂(LiF2BC2O4)、双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)中的一种或几种。
优选地，所述的锂盐的浓度为1～5mol/L，进一步优选为1～3mol/L。
优选地，所述的溶剂为γ-丁内酯(GBL)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲丙酯(MPC)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丙酯(PP)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、丁酸甲酯(MB)、丁酯乙酯(EB)、丁酸丙酯(PB)、氟代乙酸乙酯(FEA)、氟代丙酸甲酯(FMP)、氟代丙酸丙酯、氟代丙酸乙酯中的一种或几种。
进一步优选地，所述的溶剂为体积比为1:0.9～1.1:0.9～1.1的γ-丁内酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯的混合溶剂，或者，所述的溶剂为体积比为1:0.9～1.1的碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂，或者，所述的溶剂为体积比为1:0.9～1.1:0.9～1.1的碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂，或者，所述的溶剂为体积比为1:0.9～1.1:0.9～1.1的氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代丙酸甲酯的混合溶剂。
本发明的另一个目的是提供一种锂离子电池，包括正极、负极和电解液，所述的电解液为上述锂离子电池电解液。
优选地，所述的负极为选自钛酸锂、人造石墨、天然石墨中的一种或几种的组合，所述的正极为选自钴酸锂、三元材料、镍锰酸锂中的一种或几种的组合。
本发明人经研究发现，由于含氟非离子表面活性剂具有高表面活性、高耐热稳定性、低可燃性和高化学稳定性等优点。含氟非离子表面活性是迄今为止所有表面活性剂中活性最高的一种，这是含氟非离子表面活性剂最重要的性质，它在浓度很低时就能使溶液的表面张力显著降低；由于非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，所以它的稳定性高，不易受强电解质存在的影响，也不易受酸、碱的影响，与其他类型表面活性剂能混合使用，相容性好，在各种溶剂中均有良好的溶解性，在固体表面上不发生强烈吸附，因此可以应用于非水电解质的锂离子电池中。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的锂离子电池电解液的浸润性高，使用该电解液的锂离子电池具有良好的高温输出特性、倍率及循环性能。
附图说明
图1为实施例1的电解液分别在人造石墨负极材料、隔膜以及三元正极材料上的接触角；
图2为实施例1的电池的常温循环性能；
图3为实施例2的电解液在人造石墨负极材料上的接触角；
图4为实施例3、实施例4、比较例2的电池在45℃高温循环结果图；
图5为实施例5、实施例6、比较例3、比较例4的电池在45℃高温循环结果图；
图6为实施例7、实施例8、比较例5的电池在45℃高温循环结果图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本发明中的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚可采用购自上氟科技的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚，下述实施例采用的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚均为上氟科技全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚(FEO-500)。
本发明中的油酸聚乙二醇磷酸酯可采用购自南通汉晟化工的油酸聚乙二醇磷酸酯，下述实施例采用的油酸聚乙二醇磷酸酯均为南通汉晟化工的油酸聚乙二醇磷酸酯(PEG400MO磷酸酯)。
实施例1：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以GBL/PC/DMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1.0mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，然后向该电解液中分别添加电解液总量0％、0.01％、0.05％、0.1％、0.5％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚。
测试各电解液分别在人造石墨负极材料、隔膜以及三元正极材料上的接触角，选用三元石墨电池以0.1C充放电对电池进行化成，测试电池常温循环性能。测试结果如图1及图2所示。
实施例2：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以EC/EMC＝1/1体积比混合均匀，然后溶解3.0mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，然后向该电解液中分别添加电解液总量0％、0.1％、0.5％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚。
测试各电解液在人造石墨负极材料上的接触角，如图3所示。
实施例3：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.1％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚以及电解液总量1％的碳酸亚乙烯酯、1％的二氟磷酸锂。
选用镍钴铝石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表1及图4所示。
实施例4：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解3mol/L的双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.5％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚以及电解液总量1％的碳酸亚乙烯酯、1％的二氟磷酸锂。
选用镍钴铝石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表1及图4所示。
比较例1
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解3mol/L的双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)于其中，向该电解液中添加电解液总量1％的碳酸亚乙烯酯及1％的二氟磷酸锂。
选用镍钴铝石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表1及图4所示。
比较例2
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解3mol/L的双氟磺酰亚胺锂(LiN(SO2F)2)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.1％的磷酸三辛酯以及电解液总量1％的碳酸亚乙烯酯、1％的二氟磷酸锂。
选用镍钴铝石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结构如表1及图4所示。
表1
Figure BDA0001765624240000051
实施例5：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.1％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚以及电解液总量0.5％的碳酸亚乙烯酯。
选用三元石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表2及图5所示。
实施例6：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.5％的全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚以及电解液总量0.5％的碳酸亚乙烯酯。
选用三元石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表2及图5所示。
比较例3
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.5％的碳酸亚乙烯酯。
选用三元石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表2及图5所示。
比较例4
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以DMC/EC/EMC＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.1％的磷酸三辛酯以及电解液总量0.5％的碳酸亚乙烯酯。
选用三元石墨电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做45℃高温循环。测试结果如表2及图5所示。
表2
电池编号 充电容量(mAh) 放电容量(mAh) 首次充放电效率(％)
比较例3 1479.6 1202.9 81.3
比较例4 1489.7 1230.5 82.6
实施例5 1451.7 1290.6 88.9
实施例6 1495.7 1289.3 86.2
实施例7：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以FEC/PC/FMP＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.1％的油酸聚乙二醇磷酸酯。
选用镍锰正极材料半电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做常温循环。测试结果如表3及图6所示。
实施例8：
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以FEC/PC/FMP＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中，向该电解液中添加电解液总量0.5％的油酸聚乙二醇磷酸酯。
选用镍锰正极材料半电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做常温循环。测试结果如表3及图6所示。
比较例5
在充氩气的手套箱中(H2O<10ppm)，以FEC/PC/FMP＝1/1/1体积比混合均匀，然后溶解1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)于其中。
选用镍锰正极材料半电池，以0.1C充放电对电池进行化成，测其首次充放电效率，并做常温循环。测试结果如表3及图6所示。
表3
电池编号 充电容量(mAh/g) 放电容量(mAh/g) 首次充放电效率(％)
比较例5 168.3 127.2 75.6
实施例7 174.6 144.7 82.9
实施例8 174.4 138.1 79.2
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锂离子电池电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，其特征在于：所述的溶剂为体积比为1：0.9~1.1：0.9~1.1的氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、氟代丙酸甲酯的混合溶液，所述的添加剂包括油酸聚乙二醇磷酸酯，所述的油酸聚乙二醇磷酸酯的添加量为所述的锂离子电池电解液总质量的0. 1%~0.5%。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的添加剂还包括占所述的锂离子电池电解液总质量0.01%~20%的其他添加剂，所述的其他添加剂为碳酸亚乙烯酯（VC）、1,3-丙烷磺内酯（PS）、碳酸乙烯亚乙酯（VEC）、联苯（BP）、环己基苯（CHB）、硫酸丙烯酯（TSA）、磷酸三辛酯（TOP）、硫酸乙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、二氟磷酸锂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的锂盐为六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、无水高氯酸锂（LiClO4）、二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂（LiN(SO2CF3)2）、二氟二草酸磷酸锂(LiPF2(C2O4)2)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、三氟甲基磺酸锂（LiSO3CF3）、二草酸硼酸锂（LiC2O4BC2O4）、单草酸双氟硼酸锂（LiF2BC2O4）、双氟磺酰亚胺锂（LiN(SO2F)2）中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述的锂盐的浓度为1~5mol/L。
5.一种锂离子电池，包括正极、负极和电解液，其特征在于：所述的电解液为权利要求1至4中任一项所述的锂离子电池电解液。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池，其特征在于：所述的负极为选自钛酸锂、人造石墨、天然石墨中的一种或几种的组合，所述的正极为选自钴酸锂、三元材料、镍锰酸锂中的一种或几种的组合。
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