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CN105514489A - 电解液以及含有该电解液的锂离子电池 - Google Patents

电解液以及含有该电解液的锂离子电池 Download PDF

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CN105514489A CN201610057504.6A CN201610057504A CN105514489A CN 105514489 A CN105514489 A CN 105514489A CN 201610057504 A CN201610057504 A CN 201610057504A CN 105514489 A CN105514489 A CN 105514489A
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lithium
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ion battery
carbonate
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李永坤
唐超
张明
陈培培
付成华
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Ningde Amperex Technology Ltd
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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，具体讲，涉及一种电解液以及包括该电解液的锂离子电池。本发明的电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，添加剂中包含氟代碳酸乙烯酯、硅氮烷化合物和环状硫酸酯。本发明还涉及含有该电解液的锂离子电池。将硅氮烷化合物与环状硫酸酯组合应用于含有氟代碳酸乙烯酯的非水电解液中，既可利用环状硫酸酯和氟代碳酸乙烯酯在石墨、硅或锡基阳极具有优良的SEI成膜效果，又可避免环状硫酸酯对阴阳极界面造成破坏，从而达到改善以石墨、硅或锡基为阳极的锂离子电池循环、倍率和安全性能的效果。

Description

电解液以及含有该电解液的锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体讲，涉及一种电解液以及包括该电解液的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池的高能量密度、长循环寿命、宽工作温度范围及绿色环保已使得其成为目前移动电子设备的主要能源。但是，近几年来移动电子设备特别是智能手机(更轻、更薄)的飞速发展，也对锂离子电池的能量密度提出了更高的需求。
为了提高锂离子电池的能量密度，目前常用的两种方法分别是提高正极材料的工作电压和使用具有更高放电容量的负极材料。其中，Si或Sn及其合金负极材料因为其远高于石墨的理论比容量(4200mAh/g)使得其成为提高锂离子电池能量密度的一个重要发展方向。然而与石墨阳极体系相比，Si或Sn及其合金阳极体系界面稳定性较差，影响循环容量保持率，主要原因可能是Si或Sn及其合金阳极表面的SEI膜易发生破坏：SEI膜的破坏导致了溶剂在阳极表面的副反应，加速了锂离子电池循环容量衰减。
有鉴于此，确有必要提供一种可改善Si或Sn及其合金阳极锂离子电池充放电循环性能的电解液。
发明内容
本发明的首要发明目的在于提出一种电解液。
本发明的第二发明目的在于提出含有该电解液的锂离子电池。
为了完成本发明的目的，采用的技术方案为：
本发明涉及一种电解液，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂中包含氟代碳酸乙烯酯、如式Ⅰ所示的硅氮烷化合物和如式Ⅱ所示的环状硫酸酯；
其中，在式Ⅰ中，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自氢、C1～6烷基，n选自1～5的整数；
在式Ⅱ中，R11、R12各自独立的选自氢、C1～6烷基、C1～6烷氧基，n选自0～2的整数。
优选的，在式Ⅰ中，R1选自氢或C1～3烷基，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自C1～3烷基，n选自1、2或3；
在式Ⅱ中，R11、R12各自独立的选自氢或C1～3烷基，n选自0或1。
优选的，所述硅氮烷化合物选自六甲基二硅氮烷、七甲基二硅氮烷、六乙基二硅氮烷或六丙基二硅氮烷中的至少一种。
优选的，所述环状硫酸酯选自硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯中的至少一种。
优选的，所述环状硫酸酯在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％。
优选的，所述硅氮烷化合物在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％。
优选的，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、1,4-丁内酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯或丁酸乙酯中的至少一种；
所述锂盐选自六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂或二氟草酸硼酸锂中的至少一种。
本发明还涉及一种锂离子电池，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、锂电池隔膜和本发明的电解液。
优选的，所述负极材料选自碳素材料、硅基负极材料、锡基负极材料、含有硅的合金负极材料、含有锡的合金负极材料中的至少一种。
优选的，所述负极活性材料中含有石墨、硅元素或锡元素中的至少一种。
本发明的技术方案所能达到有益效果为：
环状硫酸酯和氟代碳酸乙烯酯(FEC)在石墨、硅或锡基阳极具有优良的SEI成膜效果，但是环状硫酸酯稳定性差，易反应生成H+或路易斯酸，FEC与LiPF6反应也易生成H+或路易斯酸，对SEI造成破坏，引起循环容量衰减加速。硅氮烷化合物具有吸附H+或路易斯酸的并发生开环反应的作用。发明人在研究中惊喜的发现，在含有FEC和环状硫酸酯的非水电解液中加入一定含量的硅氮烷化合物，能较大程度降低电解液表面张力和粘度，改善电解液对阳极极片的浸润性，而且硅氮烷化合物的长的支链展开，能够形成网状结构，并对环状硫酸酯和氟代碳酸乙烯酯具有诱导作用，使其均匀分散，并通过网孔在阳极表面形成均匀致密的保护膜。三者在正极表面也可以形成稳定均匀的钝化膜，明显改善了锂离子电池高电压下循环、倍率和安全性能。
具体实施方式
根据本申请的一方面，提供了一种锂离子电池中的非水电解液，该非水电解液能够提高阳极中含有硅元素和/或锡元素的锂离子电池的充放电循环容量保持率。
该电解液中包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂中包含氟代碳酸乙烯酯(FEC)、如式Ⅰ所示的硅氮烷化合物和如式Ⅱ所示的环状硫酸酯。
本发明的硅氮烷化合物如式Ⅰ所示：
在式Ⅰ中，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自氢、C1～6烷基，n选自1～5的整数；
优选的，R1选自氢或C1～6烷基，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自C1～3烷基，n选自1、2或3。
作为本发明电解液的一种改进，硅氮烷化合物的结构式如式(Ⅰa)所示：
在式Ⅰa中，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自C1～3烷基，n选自1、2或3。
作为本发明电解液的一种改进，硅氮烷化合物可选自：
本发明的环状硫酸酯如式Ⅱ所示：
在式Ⅱ中，R11、R12各自独立的选自氢、C1～6烷基、C1～6烷氧基，n选自0～2的整数。
优选的，R11、R12各自独立的选自氢或C1～3烷基，n选自0或1。
作为本发明电解液的一种改进，环状硫酸酯的结构式如式(Ⅱa)所示：
作为本发明电解液的一种改进，环状硫酸酯的结构式如式(Ⅱb)所示：
作为本发明电解液的一种改进，环状硫酸酯可选自：
上述烷基中碳原子数的优选上限值依次为6、5、4、3、2、1；例如，在碳原子数的上限值为6的情况下，烷基的碳原子数范围是指1～6；烷基的最优选碳原子数为1～5，并进一步优选1～3。烷基可为链烷基或环烷基：链烷基包含直链烷基和带有支链的烷基；环烷基为含有脂环结构的饱和烷基，脂环上可以含有或不含有取代基。
上述C1-6烷基包括但不限于：-CH3，-CH2CH3，-(CH2)2CH3，-CH(CH3)2，环丙基，-(CH2)3CH3，-CH2CH(CH3)2，-CH(CH3)CH2CH3，-CH2CH(CH3)2，-C(CH3)3，-(CH2)4CH3，-CH2CH2CH(CH3)2，-CH(CH3)CH2CH2CH3，-CH2CH(CH3)CH2CH3，-CH2C(CH3)3，环己基。
作为本发明电解液的一种改进，环状硫酸酯在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％，并优选1％～5％；硅氮烷化合物在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％，并优选0.1％～3％。
作为本发明电解液的一种改进，非水有机电解液的非水溶剂选自碳酸乙烯酯(EC)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸甲乙酯(EMC)，丙酸乙酯(EP)，丙酸丙酯(PP)，丙酸甲酯(MP)，乙酸丙酯(PA)中的至少一种。
作为本发明电解液的一种改进，电解液中的氟代碳酸乙烯酯(FEC)在电解液中的质量分数为1％～30％。
作为本发明电解液的一种改进，非水有机电解液使用的锂盐选自六氟磷酸锂LiPF6、四氟硼酸锂LiBF4、双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF3SO2)2(简写为LiTFSI)、双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(简写为LiBOB)、二氟草酸硼酸锂LiBF2(C2O4)(简写为LiDFOB)中的至少一种；优选地，所述的锂盐浓度为0.9M～1.2M。
本发明申请的另一方面提供一种锂离子电池，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、锂电池隔膜和本发明的电解液。
优选的，所述负极材料选自碳素材料、硅基负极材料、锡基负极材料、含有硅的合金负极材料、含有锡的合金负极材料中的至少一种。优选的，所述负极活性材料中含有石墨、硅元素或锡元素中的至少一种。所述锂离子电池的正极活性材料选自锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物和锂镍钴铝氧化物中的至少一种。
具体的，负极活性材料选自天然石墨、人造石墨、中间相微碳球、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的锂化TiO2-Li4Ti5O12、Li-Al合金中的至少一种。
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
如无特别指明，实施例中的含量均为质量百分含量。其中，有机溶剂中各组分的质量百分含量＝100％×有机溶剂各组分质量/有机溶剂的质量；添加剂中各组分的百分含量＝100％×添加剂各组分质量/非水电解液的总质量。
实施例1～9
电解液的制备：将碳酸乙烯酯(简写为EC)和碳酸二乙酯(简写为DEC)以质量比EC:DEC＝30:70混合，加入一定质量的六氟磷酸锂(LiPF6)，使得其在电解液中的浓度为1M；添加剂由FEC、硅氮烷化合物和环状硫酸酯组成；其中硅氮烷化合物为六甲基二硅氮烷，环状硫酸酯为DTD。
电解液的具体添加方式如表1所示，其中，FEC、六甲基二硅氮烷和DTD添加量为占电解液的质量百分比含量。
表1：电解液添加方式
实施例 非水有机溶剂 锂盐 FEC 六甲基二硅氮烷 DTD
实施例1 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 0.2 1
实施例2 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 0.5 1
实施例3 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 1
实施例4 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 2 1
实施例5 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 3 1
实施例6 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 0.2
实施例7 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 0.5
实施例8 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 3
实施例9 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 5
正极极片的制备：将钴酸锂、导电碳黑(SuperP)、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比97:1.4:1.6与N-甲基吡咯烷酮(NMP)混匀制成锂离子电池正极浆料，涂布在集流体铝箔上；在85℃下烘干后进行冷压；然后进行切边、裁片、分条后，在85℃的真空条件下烘干4h，焊接极耳，制成锂离子电池正极极片。
负极极片的制备：将作为阳极活性材料的石墨和SiO2(75：25)与导电碳黑(SuperP)、增稠剂羧甲基纤维素钠(简写为CMC)、粘接剂聚丙烯酸(简写为PAA)按质量比92:1.0:1.0:5与纯净水混匀制成浆料，涂布在集流体铜箔上并在85℃下烘干；然后进行切边、裁片、分条后，在120℃真空条件下烘干12h，焊接极耳，制成锂离子电池负极极片。
锂离子电池的制备：以聚乙烯(简写为PE)多孔聚合薄膜作为隔膜；将制得的正极片、隔膜、负极片按顺序叠好，使隔膜处于正负极片中间，卷绕得到裸电芯；将裸电芯置于外包装中，将上述制备的电解液注入到干燥后的电池中，封装、静置、化成(0.02C恒流充电到3.4V，再以0.1C恒流充电到3.85V)、整形、容量测试，完成锂离子电池的制备(软包电池的厚度4.2mm、宽度32mm、长度82mm)。
对比例1～8
按照实施例的方法制备锂离子电池，区别仅在于电解液中添加剂的组成不同。电解液的具体添加方式如表2所示，其中，FEC、六甲基二硅氮烷和DTD添加量为占电解液的质量百分比含量。
表2：电解液添加方式
实施例 非水有机溶剂 锂盐 FEC 六甲基二硅氮烷 DTD
对比例1 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 — —
对比例2 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 — 1
对比例3 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 —
对比例4 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 — 1 1
对比例5 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 0.05
对比例6 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 1 6
对比例7 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 0.05 1
对比例8 EC:DEC＝3:7 1M LiPF6 10 6 1
(1)锂离子电池循环性能测试
分别对实施例1～9和对比例1～8中制备得到的锂离子电池的循环性能进行测试，方法如下：
在25℃下，将锂离子电池静置30分钟后，以0.5C倍率恒流充电至4.4V，然后4.4V恒压充电至0.05C，并静置5分钟，再以0.5C倍率恒流放电至3.0V，此为一个充放电循环过程，此次的放电容量为锂离子电池的首次放电容量，之后进行200次充放电循环过程。
锂离子电池N次循环后的容量保持率(％)＝第N次循环的放电容量/首次放电容量×100％。
电池循环性能测试结果如表3所示。
表3：锂离子电池循环性能
从实施例1～5和对比例7、8的测试结果可以看出，在含有质量分数为10％的FEC的电解液中添加质量分数为1％的DTD，同时在电解液中添加质量分数为0.2％～3％的六甲基二硅氮烷，锂离子电池的循环性能有较明显的改善，六甲基二硅氮烷的添加量优选为0.5％～2％；六甲基二硅氮烷添加量过高或过低，对电池循环性能不能起到改善的效果。
从实施例3、6～9和对比例5、6的测试结果可以看出，在含有质量分数为10％的FEC的电解液中添加质量分数为1％的六甲基二硅氮烷，同时添加质量分数为0.2％～5％的DTD，锂离子电池的循环性能有明显改善，当DTD的含量为0.2％时，阳极成膜不充分，锂离子电池性能改善较小，当DTD含量大于0.5％时，锂离子电池表现出最优的循环性能，继续增加DTD含量到5％，由于高含量的DTD生成的SEI膜较厚，阻抗增加，同时DTD带来的副反应显著增加，锂离子电池的循环性能未能进一步改善，DTD的添加量优选为0.5％～3％。DTD添加量过高或过低，对电池循环性能不能起到改善的效果。
从对比例1～3的测试结果可以看出，在含有质量分数为10％的FEC的电解液中添加质量分数为1％的DTD后，电池的循环容量保持率得到较明显的改善。而电解液中只添加质量分数为1％的六甲基二硅氮烷，锂离子电池的循环性能仅有轻微改善。
从对比例4的测试结果可以看出，电解液中不添加FEC，锂离子电池的循环性能较差，因为FEC生成的SEI膜不稳定，循环过程中SEI膜被破坏，造成容量保持率降低。
(2)电池的倍率性能测试
将实施例1～9与对比例1～8中得到的电池均进行下述测试：
将电池以0.5C恒流放电到3.0V，搁置5min，然后以0.5C恒流充电到4.4V，并恒压充电，截至电流为0.05C，静置5min，再分别以0.2C、1C、1.5C、2C恒流放电至截至电压3.0V。记录0.2C、1C、1.5C、2C条件下的放电容量为D1，记录0.2C下的放电容量为D0，且基于0.2C下的放电容量，通过下式计算得到电池在不同倍率下的放电容量保持率(测15支电池，取其平均值)，则通过电池在不同倍率下的放电容量保持率来表征电池的倍率性能。另外，各个电池在不同倍率下的放电容量保持率如表4所示。
电池的放电容量保持率＝[(D1-D0)/D0]×100％
表4：锂离子电池放电容量保持率
(3)热箱测试
将实施例1～9与对比例1～8中得到的电池均进行下述测试：
1)以1.0C电流恒流将电池充电至4.4V，然后恒压充电至电流降至0.05C，充电停止；2)把电池放在热箱中，以5℃/min的升温速度从25℃开始升温至150℃，到达150℃后维持温度不变，然后开始计时，1h后观察电池的状态，通过该测试的标准为：电池无冒烟，无起火，无爆炸，其中每组5支电池。各个电池的热箱测试的结果如表5所示。通过上述热箱测试，表征电池的安全性能。
表5：锂离子电池的热箱测试
热箱测试后的状态
实施例1 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例2 4支电池均通过，另外的1支电池有起火现象
实施例3 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例4 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例5 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例6 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例7 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例8 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
实施例9 5支电池均通过，没有冒烟、起火、爆炸现象
对比例1 5支电池均有起火现象
对比例2 5支电池均有起火现象
对比例3 1支电池通过，另外的4支电池均有起火现象
对比例4 1支电池通过，另外的4支电池均有起火现象
对比例5 2支电池通过，另外的3支电池均有起火现象
对比例6 2支电池通过，另外的3支电池均有起火现象
对比例7 2支电池通过，另外的3支电池均有起火现象
对比例8 2支电池通过，另外的3支电池均有起火现象
从上述表4、表5中的相关数据可以得知，与对比例中制备得到的电池相比，由本申请实施例制备得到的电池，在1C、1.5C、2C下的倍率性能、以及在150℃下的热稳定性均有较大幅度的提升。
实施例10～18
按照前述实施例的方法制备锂离子电池，区别仅在于电解液的组成不同。电解液的具体添加方式如表6所示，其中，FEC、六甲基二硅氮烷和DTD添加量为占电解液的质量百分比含量。
表6：
采用实施例10～18的电解液配方制备得到的锂离子电池的性能与前述实施例相近似。
本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电解液，其特征在于，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，所述添加剂中包含氟代碳酸乙烯酯、如式Ⅰ所示的硅氮烷化合物和如式Ⅱ所示的环状硫酸酯；
其中，在式Ⅰ中，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自氢、C1～6烷基，n选自1～5的整数；
在式Ⅱ中，R11、R12各自独立的选自氢、C1～6烷基、C1～6烷氧基，n选自0～2的整数。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，在式Ⅰ中，R1选自氢或C1～3烷基，R2，R3，R4，R5，R6，R7各自独立的选自C1～3烷基，n选自1、2或3；
在式Ⅱ中，R11、R12各自独立的选自氢或C1～3烷基，n选自0或1。
3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述硅氮烷化合物选自六甲基二硅氮烷、七甲基二硅氮烷、六乙基二硅氮烷或六丙基二硅氮烷中的至少一种。
4.据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述环状硫酸酯选自硫酸乙烯酯、硫酸丙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述环状硫酸酯在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％。
6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述硅氮烷化合物在电解液中的质量百分含量为0.1％～5％。
7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，
所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、1,4-丁内酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸乙酯或丁酸乙酯中的至少一种；
所述锂盐选自六氟磷酸锂、二氟磷酸锂、四氟硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂或二氟草酸硼酸锂中的至少一种。
8.一种锂离子电池，其特征在于，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、锂电池隔膜和权利要求1～7中任一项所述的电解液。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极材料选自碳素材料、硅基负极材料、锡基负极材料、含有硅的合金负极材料、含有锡的合金负极材料中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性材料中含有石墨、硅元素或锡元素中的至少一种。
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