CN107611479B - 锂离子动力电池电解液及锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子动力电池电解液及锂离子二次电池，其中电解液包括如下质量百分比的组成：锂盐混合物10％‑20％、耐高压的有机溶剂73％‑88.5％、稳定剂0.5％‑3％及辅助添加剂1％‑4％；本发明电解液的锂盐由多种锂盐构成，由于多种锂盐的协同作用，提高了六氟磷酸锂的稳定性；有机溶剂中含有热稳定性更高、氧化电位更高的腈类溶剂、砜类溶剂和氟代溶剂，使得该电解液可以在较高温度和电压下工作；电解液中添加了稳定剂，可以吸收电解液中的水，减少电解液中HF的生成，同时成膜添加剂的引入可以使电池的SEI膜更加致密和稳定，使电池具有更好的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种锂离子动力电池电解液及锂离子二次电池。
背景技术
锂离子电池因为具有高比能量和高比功率而逐渐成为动力电池的首选，但是其也存在一定的安全问题，在一些条件下会出现起火甚至爆炸的现象，而这些现象主要是由于电解液在过充、高温等条件下不稳定引起的，因此采用更稳定的电解液对动力电池变得尤为重要。目前常用的动力电池电解液的主要组成成分有锂盐、有机溶剂以及添加剂，其中所用的锂盐以六氟磷酸锂为主，有机溶剂主要为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯等碳酸酯类类溶剂，而常见的添加剂主要为成膜添加剂、阻燃添加剂、过充添加剂、以及高低温添加剂，其中常见的添加剂有碳酸乙烯酯，氟代碳酸酯、联苯、环己基苯以及二氟磷酸锂以及硫酸乙烯酯。
目前的动力电池的电解液锂盐还是六氟磷酸锂为主，溶剂是以碳酸酯类溶剂为主，这类电解液中锂盐在高温下会分解，电解液会在高压下进行氧化分解，且在高温和低温下的性能较差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种锂离子动力电池电解液及锂离子二次电池，可以有效增强锂电池的稳定性。
首先，本发明提供一种锂离子动力电池电解液，具体技术方案如下：一种锂离子动力电池电解液，包括如下质量百分比的组成：锂盐混合物10％-20％、耐高压的有机溶剂73％-88.5％、稳定剂0.5％-3％及辅助添加剂1％-4％；
所述锂盐混合物包括六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、硼酸类锂盐、磷酸类锂盐；
所述耐高压有机溶剂包括环状碳酸酯、链状碳酸酯以及具有耐高压作用的溶剂A；
所述稳定剂选自七甲基二硅氮烷或六甲基二硅氮烷；
所述辅助添加剂选自成膜添加剂、阻燃添加剂的一种或两种；
所述溶剂A包括砜类溶剂、腈类溶剂、氟代溶剂其中的一种或多种。
优选地，所述硼酸类锂盐选自双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)中的一种或者两种。
优选地，所述磷酸类锂盐选自二氟磷酸锂(LiPF2O2),二氟双草酸磷酸锂(LiPF2(C2O4)2)、草酸磷酸锂(LiPO2C2O4)、四氟草酸磷酸锂(LiPF4C2O4)中的一种或多种。
优选地，六氟磷酸锂(LiPF6)的浓度为0.1-0.6mol/L，双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)的浓度为0.2-0.6mol/L，硼酸类锂盐的浓度为0.1-0.5mol/L，磷酸类锂盐的浓度为0.05mol/L-0.2mol/L。
优选地，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)的一种或两种。
优选地，所述链状碳酸酯为碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)碳酸二乙酯(DEC)中的一种或多种。
优选地，所述砜类溶剂为乙基甲基砜(EMS)、环丁砜(TMS)、甲基甲氧基砜(MEMS)、乙基甲氧基砜(EMES)中的一种或多种。
优选地，所述的腈类溶剂为己二腈(AND)、庚二腈(PMN)、辛二腈(SUN)戊二腈(GLN)、癸二腈(SEN)中的一种或多种。
优选地，所述氟代溶剂为六氟异丙基乙醚(HFPE)、三(五氟苯基)膦(TPFPP)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种或多种。
优选地，所述成膜添加剂选自1.3-丙烷磺酸内酯(1,3-PS)、1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-BS)碳酸亚乙烯酯(VEC)、异氰酸酯、全氟辛酸铵(APC)、硫酸亚乙烯酯中的一种或多种。
优选地，所述阻燃添加剂为全氟丁磺酸钾(PNB)、六甲基磷腈(HMPN)、亚磷酸三甲酯中的一种或多种。
本发明中，双氟磺酰亚胺锂具有较高的电导率和热分解温度；硼酸类锂盐可作为抑制双氟磺酰亚胺锂对集流体铝箔的腐蚀的添加剂，也可以作为正负极成膜添加剂和高电压添加剂；磷酸类锂盐主要作用是可以在正负极形成低阻抗且稳定的SEI膜，提高电池在高低温时的电化学性能。
本发明还提供一种上述电解液的锂电池，其具体技术方案为：一种锂离子二次电池，包含上述锂离子动力电池的电解液。
优选地，该锂离子二次电池还包含正极极片、负极极片、置于正极极片与负极极片之间的隔离膜，所述正极极片包括铝箔集流体和正极膜片，所述负极极片包括铜箔集流体和负极膜片，所述正极膜片包括正极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极膜片包含负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)，所述负极活性物质为人造石墨。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、电解液的锂盐由多种锂盐构成，由于多种锂盐的协同作用，提高了六氟磷酸锂的稳定性，其中硼酸类锂盐的加入可以抑制电解液对集流体铝箔的分解，也可以在正负极表面形成SEI膜，磷酸类锂盐的加入可以使形成的SEI膜具有更低的阻抗和更高的热稳定性，提升电池的电化学性能；
(2)、有机溶剂中含有热稳定性更高、氧化电位更高的腈类溶剂、砜类溶剂和氟代溶剂，使得该电解液可以在较高温度和电压下工作；
(3)、电解液中添加了稳定剂，可以吸收电解液中的水，减少水中HF的生成；同时1,3-丙烷磺酸内酯(1,3-PS)、1,4-丁烷磺酸内酯(1,4-BS)及其它的成膜添加剂的引入可以使电池的SEI膜更加致密和稳定，使电池具有更好的循环性能。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施例提供的动力电池用电解液,包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：二氟草酸硼酸锂：二氟磷酸锂＝0.6:0.4:0.2:0.1的摩尔比组成，锂盐混合物占电解液质量的15％组成，有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和环丁砜以质量比3:5:2的比例混合，有机溶剂占电解液质量的80.2％。阻燃剂为全氟丁磺酸钾(PNB)，其所占电解液质量的0.8％，正负极成膜添加剂为碳酸乙烯亚乙酯(VEC)，其所占电解液质量的1％，稳定剂为七甲基二硅氮烷其所占电解液的质量分的3％。
对比例1：
本实施例所用电解液不添加稳定剂，其余所用物质与实施例1所用电解液完全相同。
实施例2：
本实施例提供的动力电池用电解液,包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：二氟草酸硼酸锂：二氟磷酸锂＝0.6:0.4:0.2:0.1的摩尔比组成锂盐混合物所占电解液质量的15％。所述有机溶剂为碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、己二腈以质量比为3:5:2的比例混合，有机溶剂所占电解液质量的79.8％阻燃剂为亚磷酸三甲酯，其所占电解液质量的3％，正负极成膜添加剂为全氟辛酸铵(APC)，其所占电解液质量的0.7％，稳定剂为七甲基二硅氮烷，其所占电解液质量的1.5％。
对比例2：
本实施例所用电解液不添加阻燃剂，其余所用物质与实施例2完全相同。
实施例3：
本实施例提供的动力电池用电解液，包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：二氟草酸硼酸锂：二氟磷酸锂＝0.6:0.4:0.2:0.1的摩尔比组成锂盐混合物所占电解液质量的15％。有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和六氟异丙基乙醚以2.5:6:1.5的质量比混合的混合溶剂，有机溶剂占电解液质量的81％，阻燃剂为六甲基磷腈，其所占电解液质量的2％，正负极成膜添加剂为异氰酸酯，其所占电解液质量的1.5％，稳定剂为六甲基二硅氮烷，它们所占电解液质量的0.5％。
对比例3：
本实施例所用电解液添加的稳定剂添加了含量为2％，有机溶剂所占的质量分数降低为79.5％，其余所用物质与实施例3完全相同。
实施例4：
本实施例提供的动力电池用电解液,包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：双草酸硼酸锂：二氟双草酸磷酸锂＝0.2:0.6:0.3:0.2的摩尔比组成锂盐混合物所占电解液质量的16％。耐高压的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯和乙基甲基砜(EMS)以1.5:6.5:2的质量比混合的混合溶剂，耐高压的有机溶剂所占电解液的质量分数为80％，阻燃剂为亚磷酸三甲酯，其所占电解液质量的0.5％，正负极成膜添加剂为1，3-丙烷磺酸内酯，其所占电解液质量的2％，稳定剂为六甲基二硅氮烷，它们所占电解液的质量为0.5％。
对比例4：
本实施例不添加正负极成膜添加剂，其余所用物质与实施例4中的完全相同。
实施例5：
本实施例提供的动力电池用电解液,包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：双草酸硼酸锂：草酸磷酸锂＝0.2:0.6:0.3:0.2的摩尔比组成锂盐混合物所占电解液质量的16％。耐高压的有机溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯和氟代碳酸乙烯酯(FEC)以3.5:4:2.5的质量比混合的混合溶剂，耐高压的有机溶剂所占电解液的质量分数的81％。阻燃剂为亚磷酸三甲酯，其所占电解液质量的0.5％，正负极成膜添加剂为1,4丁烷磺酸内酯，其所占电解液质量的1.5％，稳定剂为七甲基二硅氮烷，它们所占电解液的质量为1％。
对比例5：
本实施例所添加的具有耐高压作用的溶剂为己二腈，其余所用物质与实施例5相同。
实施例6：
本实施例提供的动力电池用电解液,包含锂盐混合物、耐高压的有机溶剂、稳定剂及辅助添加剂，所述锂盐混合物以六氟磷酸锂(LiPF6)：双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)：双草酸硼酸锂：四氟草酸磷酸锂＝0:0.6:0.4:0.2的摩尔比组成锂盐混合物所占电解液质量的14％。耐高压的有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、三(五氟苯基)膦其以质量比为3:6.5:0.5混合的混合溶剂，耐高压的有机溶剂占电解液质量的80.2％。阻燃添加剂为全氟丁磺酸钾，其所占电解液质量的0.8％，成膜添加剂为1,4-丁烷磺酸内酯液质量的2％，稳定剂为七甲基二硅氮烷，它们所占电解液质量的3％。
对比例6：
本实施例不添加阻燃剂、正负极成膜添加剂和稳定剂，其余所用物质与实施例6相同。
本发明只是列举了部分实施例，其余符合本发明的实施例也在本发明的保护范围之内。
将实施例1～6中配置好的电解液和对比例1-6的中电解液分别加入制备好的软包电芯中，软包电芯额定容量为10Ah，该电芯的正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)，所述负极活性物质为人造石墨。将用实施例1-6和对比例1-6的电解液制备好的电池经过化成和分容后拿去做以下测试：1)常温循环性能测试：
1)、在25℃下，将分容后的电池按1C恒流恒压充至4.5V，截止电流0.2C，然后按1C恒流放电至3.0，记录电池首次1C放电中值电压，依此循环，并算第200次循环后的容量保持率。
2)、-20℃/1C低温放电：在25℃下将电池按1C充放电一次，截止电流0.2C，记录25℃下1C放电容量。然后按1C恒流恒压充满，将满电电池置于-20℃的恒温箱中搁置6小时后，按1C放电至3V，记录-20℃下1C放电容量，并计算循环200次循环后的容量保持率。
3)、55℃/1C高温放电：在25℃下将电池按1C充放电一次，截止电流0.02C，记录25℃下1C放电容量。然后按1C恒流恒压充满，将满电电池置于55℃的恒温箱中搁置6小时后，按1C放电至3.0V，记录55℃下1C放电容量，并计算循环200次后的容量保持率。
将实施例1-6、对比例1-6和普通的商用电解液拿去做阻燃性测试，测试方法如下：
将玻璃纤维棉制成直径1cm的小球，滴加有一定质量的电解液，然后在密闭空间内燃烧，记录燃烧的时间，即自熄时间，其中普通商用电解液的自熄时间为12s。
从下表所测试的数据可知，对比普通的商用电解液，实施例1-6和对比例1-6的电解液的阻燃性得到了很大的提升，从实施例1和对比例1可知，稳定剂对高温性能有较大的影响，因为在高温的情况下，痕量水都会与锂盐反应，生成HF，导致正极材料和SEI膜分解。从实施例2和对比例2可知，阻燃剂对电解液影响不大，因为该类电解液使用了高稳定的锂盐、砜类、腈类、氟代溶剂，即使在不添加阻燃剂的情况下，都能有效改善电池的阻燃性能。从实施例3和对比例3可以看出稳定剂的含量对电池的高温性能有一定的影响。从实施例4和对比例4可以看出，不添加正负极成膜添加剂时，对电池的性能影响不是很大，因为硼酸类锂盐和磷酸类锂盐也会和正负极形成SEI膜。实施例5和对比例5的电解液不可燃，因为氟代碳酸乙烯酯就有很好的阻燃性，且含量较多，使得电解液不可燃。从实施例6和对比例6可以看出，当不添加添加剂时，电池的高低温性能受到较大影响，而因为所用耐高压的溶剂为氟代溶剂，所以阻燃性能依然较好。
上述实施例和对比例只是所有前面提到的物质的组合中的一部分，其余电解液组合也在本发明保护范围内。
实施例1-6和对比例1的电解液的组成电池测试所得数据以及自熄时间如表1、表2所示：
从表中实施例1-6和对比例1的实验数据可知，使用实施例1-6的电解液的高温稳定性更好，进一步佐证了本发明的有益效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
表1：
表2：
Claims (7)
1.一种锂离子动力电池电解液，其特征在于，包括如下质量百分比的组成：锂盐混合物10％-20％、耐高压的有机溶剂73％-88.5％、稳定剂0.5％-3％及辅助添加剂1％-4％；
所述锂盐混合物包括六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、硼酸类锂盐、磷酸类锂盐；
所述耐高压有机溶剂包括环状碳酸酯、链状碳酸酯以及具有耐高压作用的溶剂A；
所述稳定剂选自七甲基二硅氮烷或六甲基二硅氮烷；
所述辅助添加剂选自成膜添加剂、阻燃添加剂的一种或两种；
所述溶剂A包括砜类溶剂、腈类溶剂、氟代溶剂其中的一种或多种；
六氟磷酸锂(LiPF6)的浓度为0.1-0.6mol/L，双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)的浓度为0.2-0.6mol/L，硼酸类锂盐的浓度为0.1-0.5mol/L，磷酸类锂盐的浓度为0.05mol/L-0.2mol/L；
所述硼酸类锂盐选自双草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiODFB)中的一种或者两种；
所述磷酸类锂盐选自二氟磷酸锂(LiPF2O2)，二氟双草酸磷酸锂(LiPF2(C2O4)2)、草酸磷酸锂(LiPO2C2O4)、四氟草酸磷酸锂(LiPF4C2O4)中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池电解液，其特征在于，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)的一种或两种；
所述链状碳酸酯为碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)碳酸二乙酯(DEC)中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池电解液，其特征在于，所述砜类溶剂为乙基甲基砜(EMS)、环丁砜(TMS)、甲基甲氧基砜(MEMS)、乙基甲氧基砜(EMES)中的一种或多种；
所述的腈类溶剂为己二腈(AND)、庚二腈(PMN)、辛二腈(SUN)戊二腈(GLN)、癸二腈(SEN)中的一种或多种；
所述氟代溶剂为六氟异丙基乙醚(HFPE)、三(五氟苯基)膦(TPFPP)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池电解液，其特征在于，所述成膜添加剂选自1.3-丙烷磺酸内酯(1，3-PS)、1，4-丁烷磺酸内酯(1，4-BS)碳酸亚乙烯酯(VEC)、异氰酸酯、全氟辛酸铵(APC)、硫酸亚乙烯酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池电解液，其特征在于，所述阻燃添加剂为全氟丁磺酸钾(PNB)、六甲基磷腈(HMPN)、亚磷酸三甲酯中的一种或多种。
6.一种锂离子二次电池，其特征在于，包含权利要求1至5任一项所述的锂离子动力电池的电解液。
7.根据权利要求6所述的锂离子二次电池，其特征在于，该锂离子二次电池还包含正极极片、负极极片、置于正极极片与负极极片之间的隔离膜，所述正极极片包括铝箔集流体和正极膜片，所述负极极片包括铜箔集流体和负极膜片，所述正极膜片包括正极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极膜片包含负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述正极活性物质为LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 ，所述负极活性物质为人造石墨。
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