CN114024030B - 一种非水电解液及含有该非水电解液的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非水电解液及含有该非水电解液的电池,所述非水电解液包括异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂。本发明的非水电解液通过异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂的协同作用,可以在正负极表面成均匀致密的保护膜,从而不仅能够抑制高电压下正极表面电解液的氧化,同时还避免了电解液与负极材料表面的进一步接触,进而减少了副反应的发生,且由于成膜阻抗较小,还降低了电池极化,从而在改善电池常温循环、高温储存性能的同时,还能使电池保持良好的倍率性能和低温放电性能。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域,具体涉及一种非水电解液及其制备方法和含有该非水电解液的电池。
背景技术
提高锂离子电池能量密度主要有两种方式:1)提高正负极材料的比容量,例如开发高镍正极材料和硅基负极材料;2)提高充电截止电压。三元层状氧化物具有能量密度高、循环性能好、价格适中等优异的综合性能,是目前锂离子电池中最具应用前景的一类正极材料。然而,随着纯电动汽车及混合电动汽车的快速发展,人们对锂离子电池的能量密度、循环寿命以及安全性能提出了更高要求。并且,随着三元材料充电截止电压的升高,正极材料和电解液之间的反应活性也随之增加,使得电解液在正极表面的分解和氧化,产生气胀效应,因而导致电池的常温循环性能、高温循环特性、安全性和高温储存性能降低。然而,上述问题还同时会使正极与电解液之间的界面性能降低。因此,开发功能性的电解液添加剂以改善活性正极与电解液的接触界面是非常必要的。
发明内容
为了改善现有技术的不足,本发明目的在于提供一种非水电解液及其制备方法和含有该非水电解液的电池。本发明的非水电解液通过优化添加剂组成和/或用量,不仅避免了正极成膜添加剂的添加带来负极阻抗的增大问题,不同还能使电池保持良好的倍率性能和低温性能。
为了实现上述目的,本发明通过如下技术方案实现:
本发明提供一种非水电解液,所述非水电解液包括异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂。
本发明提供的非水电解液适用于高压电池,所述高压是指电压在4.4V以上。
根据本发明,所述异噻唑类添加剂选自具有如下式1或式2所示结构的化合物中的至少一种:
式1中,R1为C1-4烷基;
式2中,R1为C1-4烷基;R2选自H、卤素、无取代或任选被一个或多个卤素取代的C1-4烷基、无取代或任选被一个或多个卤素取代的C1-4烷氧基。
根据本发明,式1中,R1为甲基、乙基、丙基(如正丙基或异丙基)、丁基(如正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基)中的至少一种。
根据本发明,式2中,R1为甲基、乙基、丙基(如正丙基或异丙基)、丁基(如正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基)中的至少一种。
根据本发明,式2中,R2为氢、氟、甲基、三氟甲基、异丙基、叔丁基、甲氧基中的至少一种。
示例性地,所述异噻唑类添加剂选自如下化合物A-1至A-9中的至少一种:
根据本发明,所述非异噻唑类添加剂包括酯类添加剂、腈类添加剂和含磷添加剂中的至少一种。
优选地,所述酯类添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯和1,4-丁磺酸内酯中的至少一种。
优选地,所述腈类添加剂包括己二腈和/或丁二腈。
优选地,所述含磷添加剂包括二氟磷酸锂、二氟草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、三烯丙基磷酸酯、三炔丙基磷酸酯和三(三甲基硅基)磷酸酯中的至少一种。
本发明的酯类添加剂、腈类添加剂和含磷添加剂三类非异噻唑类添加剂均能与异噻唑类添加剂起到较好的配合作用,从而协同提升电池的性能。
根据本发明,所述电解液还包括非水溶剂。优选地,所述非水溶剂包括环状碳酸酯和链状碳酸酯中的至少一种,优选为环状碳酸酯和链状碳酸酯两种。
例如,所述环状碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和γ-丁内酯中的至少一种。
例如,所述链状碳酸酯包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯和碳酸乙丙酯中的至少一种。
根据本发明,所述电解液还包括锂盐。
优选地,所述锂盐包括LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSO2CF3、LiN(CF3SO2)2、LiBOB、LiDFOB和LiN(C2F5SO2)2中的至少一种。
根据本发明,当所述非水溶剂包括环状碳酸酯和链状碳酸酯两种时,所述环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:(2-3),例如1:2、1:2.2、1:2.4、1:2.6、1:2.8、1:3或上述点值任意两两组合之间的任一点值。
本发明通过采用上述质量比的环状碳酸酯和链状碳酸酯是因为环状碳酸酯含量过低,会使电解液粘度过低,从而使电导率也过低,进而使电池极化增大,循环和倍率性能较差;而当环状碳酸酯含量过高时,电解液粘度会增大,电池极化也较大,进而使电池的电化学性能降低。因此,为了使电解液具有合理的粘度和电导率,以保证较好的电化学性能,本发明优选环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:(2-3)。
优选地,所述锂盐在环状碳酸酯和链状碳酸酯形成的混合溶剂中的摩尔浓度为1.0-1.5mol/L,例如1.0mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L、1.3mol/L、1.4mol/L、1.5mol/L或上述点值任意两两组合之间的任一点值。
优选地,所述异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯总质量的0.1-1.0%,例如0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%或上述点值任意两两组合之间的任一点值。
本发明中,若异噻唑类添加剂(例如磺酸酐类添加剂)的用量过多,会导致在正极成膜阻抗太大,电池首效、容量偏低,倍率性能下降;但是若异噻唑类添加剂(例如磺酸酐类添加剂)的用量过少,则会导致无法在正极形成较好的保护膜,即无法在三元正极表面形成有效的SEI膜,从而使高电压性能变差。
优选地,所述非异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的1.0-5.0%,例如1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%或上述点值任意两两组合之间的任一点值。
本发明中,如果非异噻唑类添加剂的用量过多,则会导致电池阻抗太大;如果非异噻唑类添加剂的用量过少,又会导致无法在负极形成均一稳定的SEI膜。
本发明还提供上述非水电解液的制备方法,所述方法包括以下步骤:
将异噻唑类添加剂、非异噻唑类添加剂、环状碳酸酯、链状碳酸酯和锂盐混合,得到所述非水电解液。
根据本发明,所述异噻唑类添加剂、非异噻唑类添加剂、环状碳酸酯、链状碳酸酯和锂盐具有如上文所述的定义和用量配比。
本发明提供的制备方法操作简单,流程短,适于进行产业化大规模生产。
根据本发明,所述混合包括搅拌混合或超声混合。
优选地,所述混合的温度为10-50℃,例如10℃、20℃、30℃、40℃或50℃等。
本发明还提供上述电解液在电池中的应用。
本发明还提供一种电池,所述电池包含上述非水电解液。
根据本发明,所述电池可以为高压电池。
根据本发明,所述电池还包括正极片、负极片以及隔膜。
优选地,所述隔膜为微孔隔膜。
根据本发明,所述正极片中采用的正极活性材料选自三元层状材料中的至少一种。优选选自层状锂过渡金属复合氧化物。例如,所述层状锂过渡金属复合氧化物的化学式为{Li[NixCoyMz]O2(0<x,y,z<1,M=Mn,缩写NCM;M=Al,缩写NCA)}。
根据本发明,所述负极片中采用的负极活性材料选自碳基材料、硅基材料、锡基材料或它们对应的合金材料中的至少一种。根据本发明,所述正极片、负极片中还任选地含有导电剂和/或粘接剂。
优选地,所述正极活性材料/负极活性材料与导电剂、粘接剂的质量比为(60~99.8):(0.1~20):(0.1~20),示例性为60:20:20、70:20:10、80:10:10、90:5:5、92:3:5、94:2:4、95:3:2、99:0.5:0.5、99:0.1:0.9、99:0.9:0.1、99.8:0.1:0.1。
例如,所述粘接剂可以为聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)、和丁苯橡胶(SBR)中的一种、两种或更多种;优选为聚偏氟乙烯。
例如,所述导电剂可以为乙炔黑、导电碳黑(Super-P)和导电石墨(KS-6)中的至少一种。
本发明还提供上述电池的制备方法,包括将正极片、隔膜、负极片按顺序叠放好,保证隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用,然后通过卷绕得到未注液的裸电芯;将裸电芯置于外包装箔中,将上述电解液注入到干燥后的裸电芯中,经过真空封装、静置、化成、整形、分选等工序,获得所需的电池。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的非水电解液中,异噻唑类添加剂的结构中强吸电子取代基酯基降低了异噻唑环的电子云密度,使得分子更容易在正极表面被氧化形成致密稳定的CEI膜,另外酯基上氧原子上的孤对电子对在电解液中呈现较弱的路易斯碱性,能与电解液中的其他组分(例如PF5)形成配合物(例如六配体的配合物),以降低电解液的酸性和反应活性,从而抑制电解液中游离酸的升高。异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂相互配合,可协同作用以在正负极表面均匀致密成膜,以抑制高电压下正极的电解液氧化,并避免电解液与负极材料表面的进一步接触,从而减少了副反应的发生。且由于成膜阻抗较小,因而还降低了电池极化,从而在改善电池的常温循环、高温储存性能的同时,还使电池能够保持良好的倍率性能和低温放电性能。
(2)本发明的非水电解液中,通过各组分的共同作用,协同提升了电池的性能,具体而言:
环状碳酸酯能够溶解锂盐、异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂,以使电解液具有较高的电导率;链状碳酸酯能够溶解锂盐、异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂,并调控电解液粘度在合理范围;锂盐在正负极间进行传导,提供电池体系需要的Li+;异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂可在正极或负极表面成膜,以保护正极或负极。
术语定义与说明
除非另有说明,本说明书记载的数值范围相当于至少记载了其中每一个具体的整数数值。例如,数值范围“1-6”相当于记载了数值范围“1-6”中的每一个整数数值即1、2、3、4、5、6。应当理解,本文在描述取代基时使用的一个、多个中,“多个”是指≥2的整数,例如2、3、4、5、6、7、8、9或10。
术语“卤素”表示氟、氯、溴和碘。
术语“C1-4烷基”表示具有1、2、3或4个碳原子的直链或支链饱和烃基。所述烷基是例如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、异戊基、2-甲基丁基、1-甲基丁基、1-乙基丙基、1,2-二甲基丙基、新戊基、1,1-二甲基丙基、4-甲基戊基、3-甲基戊基、2-甲基戊基、1-甲基戊基、2-乙基丁基、1-乙基丁基、3,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、1,1-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基或1,2-二甲基丁基等或它们的异构体。
除非另有说明,本文中术语的定义同样适用于包含该术语的基团,例如C1-4烷基的定义也适用于C1-4烷氧基。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神范围,均应涵盖在本发明的保护范围之中。
实施例1
本实施例提供一种非水电解液,所述非水电解液由环状碳酸酯、链状碳酸酯、锂盐和添加剂组成。
所述添加剂由异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂组成,所述异噻唑类添加剂为化合物A-1,所述非异噻唑类添加剂为1,4-丁磺酸内酯。所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯,所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯,所述锂盐为LiPF6。
所述环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:2.5;所述锂盐在环状碳酸酯和链状碳酸酯形成的混合溶剂中的摩尔浓度为1.3mol/L;所述异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的0.5%;所述非异噻唑类添加剂质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的3.0%。
上述非水电解液的制备方法,所述方法包括以下步骤:将配方量的环状碳酸酯、链状碳酸酯、锂盐和添加剂在25℃下搅拌混合,得到所述非水电解液,其中:所述添加剂包括异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂。
实施例2
本实施例提供一种非水电解液,所述非水电解液由环状碳酸酯、链状碳酸酯、锂盐和添加剂组成。
所述添加剂由异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂组成,所述异噻唑类添加剂为化合物A-3,所述非异噻唑类添加剂为1,3-丙烷磺酸内酯和1,4-丁磺酸内酯(1,3-丙烷磺酸内酯和1,4-丁磺酸内酯的质量比为1:2)。所述环状碳酸酯为γ-丁内酯,所述链状碳酸酯为碳酸甲乙酯,所述锂盐为LiPF6。
所述环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:2;所述锂盐在环状碳酸酯和链状碳酸酯形成的混合溶剂中的摩尔浓度为1.0mol/L;所述异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的0.1%;所述非异噻唑类添加剂质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的1.0%。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例提供一种非水电解液,所述非水电解液由环状碳酸酯、链状碳酸酯、锂盐和添加剂组成。
所述添加剂由异噻唑类添加剂和非磺酸酐类添加剂组成,所述磺酸酐类添加剂为化合物A-5,所述非异噻唑类添加剂为己二腈和二氟磷酸锂(己二腈和二氟磷酸锂的质量比为1:1)。所述环状碳酸酯为碳酸丙烯酯,所述链状碳酸酯为碳酸二乙酯,所述锂盐为LiPF6。
所述环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:3;所述锂盐在环状碳酸酯和链状碳酸酯形成的混合溶剂中的摩尔浓度为1.5mol/L;所述异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的1.0%;所述非异噻唑类添加剂质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的5.0%。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例提供的非水电解液除了异噻唑类添加剂的质量为环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的0.05%之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例提供的非水电解液除了异噻唑类添加剂的质量为环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的2.5%之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
实施例6
本实施例提供的非水电解液除了非异噻唑类添加剂质量为环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的0.5%之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
实施例7
本实施例提供的非水电解液除了非异噻唑类添加剂质量为环状碳酸酯和链状碳酸酯的总质量的8%之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
对比例1
本对比例除了添加剂仅由异噻唑类添加剂组成,不含有非异噻唑类添加剂之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
对比例2
本对比例除了添加剂仅由非异噻唑类添加剂组成,不含有异噻唑类添加剂之外,其他组分种类和含量均与实施例1的非水电解液相同。
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
对比例3
所述非水电解液的制备方法同实施例1。
测试方法
分别以上述实施例1-7或对比例1-3提供的非水电解液作为测试电池的电解液,用PP隔膜作为测试电池的隔膜。测试电池的正极片集流体为铝箔,正极涂层由质量比为95:3:2的NCM523、乙炔黑和PVDF组成;测试电池的负极片集流体为铜箔,负极涂层由质量比为94:3:3的人造石墨、乙炔黑和SBR组成。
将正极极片、负极极片、PP隔膜以及实施例1-7或对比例1-3制备的电解液装配成软包电池,采用蓝电充放电测试柜进行电化学测试。
(1)电池的快充循环性能测试:
在25℃/45℃下,将电池以1C(标称容量)恒流充电到电压为4.4V,然后以4.4V恒压充电至电流0.05C,搁置10min后,以1C恒流放电至截至电压2.8V,以上为一次充放电循环。将电池按照上述条件进行25℃下500次充放电循环;45℃下500次充放电循环。
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%,N为电池的循环次数。
(2)电池-10℃倍率放电性能测试
在25℃下,将电池以0.5C恒流放电至截至电压2.8V,搁置10min后,以1C恒流恒压充电至4.4V截止电流0.05C,电芯移至-10℃高低温箱中,搁置120min后,以4C/7C恒流放电至截至电压2.8V,记录拐点电压。
(3)60℃高温储存实验
在25℃下,将电池以1C恒流充电到电压为4.4V,然后以4.4V恒压充电至电流为0.05C,测试电池的体积为V0;之后将电池放入60℃的恒温箱,分别储存30天、60天,且取出测试电池的体积并记为Vn。
电池60℃存储n天后的体积膨胀率(%)=(Vn-V0)/V0×100%测试结果如下表所示
表1实施例1-7和对比例1-3的电池测试结果对比
综合上述实施例和对比例的测试结果可知,实施例1-3提供的非水电解液中通过异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂的相互配合,可协同作用以在正负极表面均匀致密成膜,从而抑制高电压下正极的电解液氧化,并避免了电解液与负极材料表面的进一步接触,进而减少了副反应的发生,且由于成膜阻抗较小,因而降低了电池极化,从而在改善电池常温循环、高温储存性能的同时,还可使电池保持良好的倍率性能和低温放电性能。
实施例4结果显示:当异噻唑类添加剂用量低于0.1%时,会使电池循环性能和高温存储变差;而实施例5结果显示:当异噻唑类添加剂用量高于1.0%时,会使电池的循环、倍率和低温性能均下降。
实施例6结果显示:当非异噻唑类添加剂用量低于1.0%时,会使电池循环性能下降;而实施例7结果显示:当非异噻唑类添加剂用量高于5.0%时,会使电池的阻抗偏大,高温存储产气量增加。
对比例1结果显示:当电解液中不添加非异噻唑类添加剂时,会使电池循环变差。
对比例2结果显示:当电解液中不添加异噻唑类添加剂时,会使电池循环性能和存储性能显著降低。
对比例3结果显示:当电解液中不添加含酯基的异噻唑类添加剂,会影响电池的电化学性能,且本发明通过在电解液中添加含酯基的异噻唑类添加剂,能够显著改善电解液的性能。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种非水电解液,其特征在于,所述非水电解液包括异噻唑类添加剂和非异噻唑类添加剂;
所述异噻唑类添加剂选自具有如下式1或式2所示结构的化合物中的至少一种:
式1中,R1为C1-4烷基;
式2中,R1为C1-4烷基;R2选自H、卤素、无取代或任选被一个或多个卤素取代的C1-4烷基、无取代或任选被一个或多个卤素取代的C1-4烷氧基;
所述非异噻唑类添加剂包括酯类添加剂、腈类添加剂或含磷添加剂中的至少一种;
所述电解液还包括非水溶剂;所述非水溶剂包括环状碳酸酯和链状碳酸酯中的至少一种;
所述电解液还包括锂盐;
所述异噻唑类添加剂的质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯总质量的0.1-1.0%;
所述非异噻唑类添加剂质量为所述锂盐、环状碳酸酯和链状碳酸酯总质量的1.0-5.0%。
3.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述酯类添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯或1,4-丁磺酸内酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述腈类添加剂包括己二腈和/或丁二腈。
5.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述含磷添加剂包括二氟磷酸锂、二氟草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、三烯丙基磷酸酯、三炔丙基磷酸酯和三(三甲基硅基)磷酸酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述环状碳酸酯包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和γ-丁内酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述链状碳酸酯包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯和碳酸乙丙酯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述锂盐包括LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSO2CF3、LiN(CF3SO2)2、LiBOB、LiDFOB和LiN(C2F5SO2)2中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,当所述非水溶剂包括环状碳酸酯和链状碳酸酯两种时,所述环状碳酸酯和链状碳酸酯的质量比为1:(2-3)。
10.根据权利要求1所述的非水电解液,其特征在于,所述锂盐在环状碳酸酯和链状碳酸酯形成的混合溶剂中的摩尔浓度为1.0-1.5mol/L。
11.一种电池,其特征在于,所述电池包括权利要求1-10任一项所述的电解液。
12.如权利要求11所述的电池,其特征在于,所述电池还包括正极片、负极片以及隔膜。
13.如权利要求12所述的电池,其特征在于,所述正极片中采用的正极活性材料选自三元层状材料中的至少一种。
14.如权利要求12所述的电池,其特征在于,所述负极片中采用的负极活性材料选自碳基材料、硅基材料、锡基材料或它们对应的合金材料中的至少一种。
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