CN112786964A - 一种高电压高能量密度电解液及其锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电压高能量密度电解液及其锂电池。所述电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括氟代醚添加剂、酸酐添加剂、1,3‑丙烷磺酸内酯添加剂、腈类添加剂和氟代碳酸乙烯酯添加剂。本发明的电解液的组分简单，通过各组分的配合可以获得相对较小的电池阻抗，并兼顾优异的高温循环性能、常温循环性能、低温性能、倍率性能和高温存储性能。得到的4.48V钴酸锂体系电池的性能综合上较优，且满足常规标准，并且可以根据性能差异要求，调整添加剂比例得到相应电池。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，涉及一种高电压高能量密度电解液及其锂电池。
背景技术
消费锂离子电池向高能量密度方向发展，采用更高容量正极材料如4.48V或者4.5V钴酸锂是提升锂离子电池能量密度的有效途径之一。但是高电压高能量密度钴酸锂体系存在问题是：正极材料表面过渡金属和修饰元素溶出，导致整体性能劣化，特别是高温性能；工作过程相变更容易析出氧，导致循环性能劣化；掺杂和包覆修饰增加，导致阻抗较大、低温、循环较差；较高的压实密度，其极片浸润性较差，导致电池性能整体变差。该类问题点，锂离子电池企业主要通过调整体系搭配，尤其是电解液配方来改善，然而相应电解液添加剂少，且缺乏数据支持，同时高电压钴酸锂材料(≥4.48V)本身正处于不断改善状态，给电解液开发增加难度。这些情况影响高电压高能量密度锂电池推广。
CN111129586A公开了一种高电压钴酸锂锂离子电池非水电解液，包括非水有机溶剂、电解质锂盐和添加剂，按在电解液中的质量百分含量，所述添加剂组成为：异氰酸酯类添加剂0.5～1.0％，其它添加剂0.5～20％。其中的异氰酸酯类添加剂能够正极成膜，抑制正极材料遭受电解液中氢氟酸的侵蚀和抑制氢氟酸导致正极材料结构的坍塌和钴离子的溶出，提高高电压钴酸锂锂离子电池的电化学性。CN105762412A公开了一种高压电解液，所述高压电解液是在普通电解液中添加相当于普通电解液质量0.1％～5％的功能添加剂得到，所述的功能添加剂是指烯二腈类化合物。含有这种电解液添加剂的锂离子电池在3～4.5V下的循环性能得到改善，提高了锂离子电池安全性能、使用寿命和能量密度。
但是，上述研究仍未开发出一种适用于高电压高能量密度的电解液，使得锂离子电池具有较低的SEI阻抗，兼顾优异的高温循环性能、常温循环性能、低温性能、倍率性能和高温存储性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高电压高能量密度电解液及其锂电池。
本发明所述高电压高能量密度中的“高电压”指电压在4.45V～4.5V。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种电解液，所述电解液是一种高电压高能量密度电解液，包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括氟代醚添加剂、酸酐添加剂、1,3-丙烷磺酸内酯(分子式：C3H6O3S，简称1,3-PS)添加剂、腈类添加剂和氟代碳酸乙烯酯(简称FEC)添加剂。
本发明的电解液是一种适用于高电压高能量密度体系(例如4.48V钴酸锂体系)的电解液，高电压阴极对水较敏感，高电压阴极抗氧化能力较差，高压实密度阳极浸润差，本发明通过同时添加氟代醚添加剂和酸酐添加剂，可以更好地除水，增加对正极的保护作用，提升正极材料的使用稳定性，同时改善电极浸润性，从而改善电芯整体电性能；而且，在上述条件下，配合一定量的1,3-丙烷磺酸内酯，能够形成致密、稳定性的SEI膜，提高电池高温性能。
本发明的电解液的组分简单，通过各组分的配合可以获得相对较小的电池阻抗，并兼顾优异的高温、低温、循环性能、倍率性能和高温存储性能。得到的4.48V钴酸锂体系电池的性能综合上较优，且满足常规标准，并且可以根据性能差异要求，调整添加剂比例得到相应电池。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
优选地，所述氟代醚添加剂和所述酸酐添加剂的质量比为(0.5～4.5):1，例如0.5:1、0.8:1、1:1、1.5:1、1.7:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1或4.5:1等，在上述优选范围内有利于更好地发挥二者对于高电压阴极的保护作用，从而提升电池的电化学性能，更优选为优选为(1～4):1。
优选地，所述氟代醚添加剂占电解液总质量的0.5％～4％，例如0.5％、1％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.5％、2.7％、3％、3.5％或4％等。
优选地，所述氟代醚添加剂包括甲基九氟正丁基醚和1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚中的至少一种。
优选地，所述酸酐添加剂占电解液总质量的0.5％～4％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％或4％等。
优选地，所述酸酐添加剂包括2-甲基马来酸酐、丁二酸酐、柠檬酸酐和1-丙基磷酸酐中的至少一种。
优选地，所述1,3-丙烷磺酸内酯添加剂占电解液总质量的0.5％～6％，例如0.5％、0.7％、1％、1.2％、1.5％、2％、2.5％、3.5％、3.8％、4％、4.2％、4.5％、5％、5.5％或6％等，优选为3.5％～6％。
优选地，所述腈类添加剂占电解液总质量的0.5％～10％，例如0.5％、1％、2％、3％、3.5％、3.8％、4％、4.3％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、8％、8.5％、9％或10％等，优选为2.5％～6％。
优选地，所述腈类添加剂包括腈醚添加剂和烷基腈添加剂，所述腈醚添加剂和所述烷基腈添加剂的质量比为1:(1～2)，例如1:1、1:1.2、1:1.5、1:1.7或1:2等。
优选地，所述腈醚添加剂包括乙二醇双(丙腈)醚(又称为1,2-二(氰乙氧基)乙烷，简称DENE)。
优选地，所述烷基腈添加剂包括1,3,6-己烷三甲腈(简称为HTCN)、1,3,5-戊烷三甲腈、戊二腈、己二腈(简称AND)和辛二腈中的至少一种。
优选地，所述氟代碳酸乙烯酯添加剂占电解液总质量的0.5％-10％，例如0.5％、1％、2％、3％、3.5％、3.8％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、7％、8％、9％或10％等，优选为4.5％～8％。
优选地，所述添加剂占电解液总质量的5％～20％，例如5％、6％、7％、8％、9％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等，优选为11％～20％。
优选地，所述非水有机溶剂占电解液总质量的60％～88％，例如60％、62％、63％、65％、70％、75％、78％、80％、84％或88％等。
优选地，所述非水有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、丙酸丙酯、丙酸乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯中的至少一种。
优选地，所述锂盐占电解液总质量的13％～20％，例如13％、15％、16％、16.5％、17％、18％或20％等。
优选地，所述锂盐选自六氟磷酸锂，或者六氟磷酸锂与掺杂锂盐组成的混合盐，优选为六氟磷酸锂和掺杂锂盐按照质量比(25～35):1组成的混合盐，六氟磷酸锂和掺杂锂盐的质量比例如25:1、27.5:1、29:1、30:1、32:1、32.5:1或35:1等。
优选地，所述掺杂锂盐包括四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂(简称LiODFB)、双草酸硼酸锂、氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂中的至少一种。
作为本发明所述电解液的进一步优选技术方案，所述电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括氟代醚添加剂、酸酐添加剂、1,3-丙烷磺酸内酯添加剂、腈类添加剂和氟代碳酸乙烯酯添加剂；
其中，所述氟代醚添加剂和所述酸酐添加剂的质量比为(1～4):1；所述腈类添加剂为腈醚添加剂和所述烷基腈添加剂按照质量比1:(1～2)的混合物；
所述氟代醚添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
所述酸酐添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
所述1,3-丙烷磺酸内酯添加剂占电解液总质量的3.5％～6％；
所述腈类添加剂占电解液总质量的2.5％～6％；
所述氟代碳酸乙烯酯添加剂占电解液总质量的4.5％～8％。
本发明的目的之二在于提供一种锂离子电池，包括电芯和铝塑膜，所述电芯包括阴极片、阳极片、隔膜和权利要求1-9任一项所述的电解液。
采用本发明的电解液的锂离子电池为高电压高能量密度锂离子电池，阴极片的活性物质例如可以是钴酸锂，阳极片的活性物质例如可以是石墨。
本发明的锂离子电池具有高的充电截止电压，例如4.45V～4.5V。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的电解液的组分简单，通过各组分的配合可以获得相对较小的电池阻抗，并兼顾优异的高温循环性能、常温循环性能、低温性能、倍率性能和高温存储性能。得到的4.48V钴酸锂体系电池的性能综合上较优，且满足常规标准，并且可以根据性能差异要求，调整添加剂比例得到相应电池。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明实施例部分，1,3-丙烷磺酸内酯简称1,3-PS，乙二醇双(丙腈)醚简称DENE，己二腈简称AND，1,3,6-己烷三甲腈简称HTCN，氟代碳酸乙烯酯简称FEC，碳酸乙烯酯简称EC，碳酸丙烯酯简称PC，丙酸丙酯简称PP。
实施例1
本实施例提供一种高电压高能量密度电解液，所述电解液的制备步骤包括：在充满氩气的手套箱里(水分含量＜0.1ppm，氧气含量＜0.1ppm)，将相应的溶剂按照既定比例混合均匀并不断搅拌，向混合溶剂中缓慢加入既定量的电解质锂盐，再分别加入添加剂，即得实施例1的电解液。所述电解液中各组成的添加量如表1所示。
表1
注：以电解液总质量为100wt.％计，
表中所列举各物质的总质量之和为电解液总质量。
实施例2
与实施例1的区别在于，将1-丙基磷酸酐的含量调整为1wt.％，除非水有机溶剂以外的其他组分的含量不变。
此条件下，1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚与1-丙基磷酸酐的质量比为2:1。
实施例3
与实施例1的区别在于，将1-丙基磷酸酐的含量调整为0.25wt％，除非水有机溶剂以外的其他组分的含量不变。
此条件下，1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚与1-丙基磷酸酐的质量比为8:1。
实施例4
与实施例1的区别在于，将1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚的含量调整为0.1wt％，除非水有机溶剂以外的其他组分的含量不变。
此条件下，1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚与1-丙基磷酸酐的质量比为0.2:1。
实施例5
与实施例1的区别在于，调整1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚的含量为10wt.％，1-丙基磷酸酐的含量为2.5wt.％，除非水有机溶剂以外的其他组分的含量不变。
此条件下，1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚与1-丙基磷酸酐的质量比与实施例1相同，均为4:1。
实施例6
与实施例1的区别在于，DENE的含量为6wt.％，除非水有机溶剂以外的其他组分的含量不变。
此条件下，DENE/(AND+HTCN)质量比为2:1。
对比例1
本对比例的电解液的组成如下述的表3：
表3
注：以电解液总质量为100wt.％计，
表中所列举各物质的总质量之和为电解液总质量。
对比例2
本对比例的电解液的组成如下述的表4：
表4
注：以电解液总质量为100wt.％计，
表中所列举各物质的总质量之和为电解液总质量。
对比例3
本对比例的电解液的组成如下述的表5：
表5
注：以电解液总质量为100wt.％计，
表中所列举各物质的总质量之和为电解液总质量。
对比例4
本对比例的电解液的组成如下述的表6：
表6
注：以电解液总质量为100wt.％计，
表中所列举各物质的总质量之和为电解液总质量。
电池制备和性能测试：
采用各实施例和对比例的电解液制备高电压高能量密度锂离子电池并进行检测，具体包括：
一、电池制备
1)阴极制备：
将钴酸锂LCO(4.48V)：导电炭黑Super-P：导电CNT：粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)＝97.6:0.7:0.7:1的质量比备好，将粉料PVDF加入到N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中搅拌制备胶液，随后依次加入导电炭黑Super-P、导电CNT、LCO(4.48V)，搅拌得到正极浆料。将浆料均匀涂布在铝箔的两面上，双面密度为36mg/cm2，经过烘干、冷压，并用超声波点焊极耳，得到阴极片。
2)阳极制备
将人造石墨：导电炭黑Super-P：粘结剂(SBR)和分散剂(CMC)＝96:1.3:1.5:1.2的质量比备好，将粉料分散剂(CMC)加入到离子水中搅拌制备胶液，随后依次人造石墨、导电炭黑Super-P、粘结剂(SBR)，搅拌得到阳极浆料。将浆料涂布在铜箔的两面上，双面密度为20.7mg/cm2，经过烘干、冷压，并用超声波点焊极耳，得到阳极片。
3)隔离膜制备
选用PE基膜(5um)涂覆陶瓷的混合膜。
4)高电压高能量密度锂离子电池制备
按阴极片、隔膜、阳极片依次叠合一起，进行卷绕，再将卷绕体压扁后放入铝塑膜包装袋，在80℃下真空烘烤24h，得到待注液的电芯；于露点控制在-40℃以下的手套箱内，将各个实施例和对比例的电解液分别注入电芯中，经真空封装，45℃静置24h，然后按以下参数进行常规化成：75℃下，电芯表面承受1MPA压力，0.02C恒流充电2min，1C恒流充电3min，1C恒流充电60min，二次真空封口。按以下参数进行分容：常温下，0.2C恒流恒压充电至4.48V(0.02C截止)，10min后，以0.2C恒流放电至3.0V。
二、性能测试
本实施例中所述的室温和常温均指25℃。
1)高温循环性能测试
将分容后电芯置于恒温45℃的烘箱中，以0.5C的电流恒流充电至4.48V然后恒压充电电流下降至0.05C，搁置10min后，然后以0.5C的电流恒流放电至3.0V，如此循环，记录每周的放电容量，按下式计算，高温循环的容量保持率：n周容量保持率＝第n周的放电容量/第1周的放电容量*100％。
2)常温循环性能测试
将分容后电芯，在室温25℃下以0.5C的电流恒流充电至4.48V，然后恒压充电至电流下降至0.05C，然后以0.5C的电流恒流放电至3.0V，如此循环，记录每周的放电容量，按下式计算，常温循环的容量保持率：m周容量保持率＝第m周的放电容量/第1周的放电容量*100％。
3)低温性能测试
将分容后电芯，在室温下测量其0.2C放电容量C0，然后满电置于-20℃低温箱中搁置2h，然后0.2C放电，测量其放电容量C1。-20℃容量保持率＝C1/C0*100％。
4)倍率性能测试
将分容后电芯，在室温下测量其0.2C、2C放电容量C0、C1，2C容量保持率＝C1/C0*100％。
上述的高温循环性能测试、常温循环性能测试、低温性能测试和倍率性能测试的结果参见表7。
表7
5)60℃7天存储性能测试
将分容后电芯，在室温25℃下测量其0.2C放电容量C0及满电状态下的初始厚度T0，然后满电置于60℃烘箱中存储7天后测量其厚度T1，并在常温25℃下搁置2h后测量其剩余容量C1及恢复容量C2。厚度膨胀率＝(T1/T0-1)*100％，容量剩余率＝C1/C0*100％，容量恢复率＝C2/C0*100％，测试结果参见表8。
6)85℃6h存储性能测试
将分容后电芯，在室温下测量其0.5C放电容量C0及满电状态下的初始厚度T0，然后满电置于85℃烘箱中存储6h后测量其厚度T1，并在常温下搁置2h后测量其剩余容量C1及恢复容量C2。厚度膨胀率＝(T1/T0-1)*100％，容量剩余率＝C1/C0*100％，容量恢复率＝C2/C0*100％，测试结果参见表8。
表8
分析：
由表7和表8可以看出，使用本发明的电解液的锂离子电池具有优异的高温循环、常温循环、低温性能和倍率性能，且在60℃高温存储性能好。
通过实施例1与实施例2的对比可知，将1-丙基磷酸酐的含量由0.5wt.％调整为1wt.％后，电池阻抗降低，进而导致倍率性能和低温放电性能略有提升。
通过实施例1与实施例3-5的对比可知，1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚与1-丙基磷酸酐的质量比，以及1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚在电解液中的添加量对产品性能均有重要影响，实施例3中1-丙基磷酸酐添加量过少，导致高温存储性能提升程度小；实施例4中1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚添加量过少，导致循环性能提升程度较小；实施例5中1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚添加量过多，导致高温存储性能变差，加大成本，实际配置过程危险性增加。
通过实施例1与实施例6的对比可知，腈类添加剂中DENE的含量相对偏多，导致倍率、高温存储和低温放电性能变差。
通过实施例1与对比例1-4的对比可知，高电压高能量密度体系(≥4.48V)在未添加1-丙基磷酸酐而添加不同含量的1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚，电解液浸润性随着成正比，但是与实施例1相比，-20℃放电和2C倍率保持率均有不同程度的下降，当1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚添加量达到1wt.％以上时能改善高温存储、循环性能等，这是由于该添加剂能够提高电解液对正极的耐氧化能力。
通过实施例1与对比例1的对比可知，高电压高能量密度体系(≥4.48V)同时添加1-丙基磷酸酐、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚，电解液浸润性和除水能力、电解液抗氧化性提升，明显改善-20℃放电、60℃高温存储、循环性能、85℃存储性能。。
通过实施例2与对比例4的对比可知，高电压高能量密度体系(≥4.48V)，对于添加剂1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚和1-丙基磷酸酐，合适的添加比例，能改善高温存储、循环、低温放电性能等。同时对比数据可知，添加1-丙基磷酸酐能改善60℃存储、低温放电、倍率放电性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种电解液，包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，其特征在于，所述添加剂包括氟代醚添加剂、酸酐添加剂、1,3-丙烷磺酸内酯添加剂、腈类添加剂和氟代碳酸乙烯酯添加剂。
2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述氟代醚添加剂和所述酸酐添加剂的质量比为(0.5～4.5):1，优选为(1～4):1；
优选地，所述氟代醚添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
优选地，所述氟代醚添加剂包括甲基九氟正丁基醚和1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚中的至少一种；
优选地，所述酸酐添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
优选地，所述酸酐添加剂包括2-甲基马来酸酐、丁二酸酐、柠檬酸酐和1-丙基磷酸酐中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的电解液，其特征在于，所述1,3-丙烷磺酸内酯添加剂占电解液总质量的0.5％～6％，优选为3.5％～6％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电解液，其特征在于，所述腈类添加剂占电解液总质量的0.5％～10％，优选为2.5％～6％；
优选地，所述腈类添加剂包括腈醚添加剂和烷基腈添加剂，所述腈醚添加剂和所述烷基腈添加剂的质量比为1:(1～2)；
优选地，所述腈醚添加剂包括乙二醇双(丙腈)醚；
优选地，所述烷基腈添加剂包括1,3,6-己烷三甲腈、1,3,5-戊烷三甲腈、戊二腈、己二腈和辛二腈中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电解液，其特征在于，所述氟代碳酸乙烯酯添加剂占电解液总质量的0.5％-10％，优选为4.5％～8％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电解液，其特征在于，所述添加剂占电解液总质量的5％～20％，优选为11％～20％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂占电解液总质量的60％～88％；
优选地，所述非水有机溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、丙酸丙酯、丙酸乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯中的至少一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电解液，其特征在于，所述锂盐占电解液总质量的13％～20％；
优选地，所述锂盐选自六氟磷酸锂，或者六氟磷酸锂与掺杂锂盐组成的混合盐，优选为六氟磷酸锂和掺杂锂盐按照质量比(25～35):1组成的混合盐；
优选地，所述掺杂锂盐包括四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双草酸硼酸锂、氟磺酰亚胺锂和二氟磷酸锂中的至少一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的电解液，其特征在于，所述电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂包括氟代醚添加剂、酸酐添加剂、1,3-丙烷磺酸内酯添加剂、腈类添加剂和氟代碳酸乙烯酯添加剂；
其中，所述氟代醚添加剂和所述酸酐添加剂的质量比为(1～4):1；所述腈类添加剂为腈醚添加剂和所述烷基腈添加剂按照质量比1:(1～2)的混合物；
所述氟代醚添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
所述酸酐添加剂占电解液总质量的0.5％～4％；
所述1,3-丙烷磺酸内酯添加剂占电解液总质量的3.5％～6％；
所述腈类添加剂占电解液总质量的2.5％～6％；
所述氟代碳酸乙烯酯添加剂占电解液总质量的4.5％～8％。
10.一种锂离子电池，包括电芯和铝塑膜，其特征在于，所述电芯包括阴极片、阳极片、隔膜和权利要求1-9任一项所述的电解液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210511 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |