專利名稱：一種鋰離子電池高電壓電解液添加劑及其電解液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋰離子電池非水性高電壓電解液的添加劑以及含有該添加劑的鋰離子電池高電壓電解液。
背景技術(shù)：
鋰離子電池自1990由日本Sony公司開發(fā)商業(yè)化以來將近有20多年的歷史。由于其具有更高的體積比能量、重量比能量和良好的環(huán)保性，正逐步取代傳統(tǒng)的鉛酸電池、 Ni-Cd和MH-Ni電池，而廣泛使用于手機、筆記本電腦等便攜式3C電子設(shè)備中，迅速占領(lǐng)了很大的市場并迅猛發(fā)展。隨著近年來對電子產(chǎn)品要求更小，更輕，更薄的需求越來越強烈， 除了包括追求更低的價格之外，追求更高的能量密度成為改進電子產(chǎn)品的強有力的驅(qū)動力，此外，鋰離子電池用于電動工具和電動自行車以及汽車的開發(fā)是一個近年來各國投資力度非常大的產(chǎn)業(yè)，該領(lǐng)域的開發(fā)成功可以緩解日益緊張的石油資源，因此有著很高的國際經(jīng)濟戰(zhàn)略意義。電解液是電池的一個重要組成部分。電解液雖然不會貢獻電池能量，但是它的組成會直接影響電池的循環(huán)容量和壽命。組成合適(涉及到鹽，溶劑及添加劑的選擇和用量) 的電解液能夠有效發(fā)揮和提升鋰離子電池正負極材料的電化學性能，例如循環(huán)壽命，容量保持，高溫存儲，安全性能，倍率放電特性，放電的平臺時間以及正負極的容量發(fā)揮等等。通常在鋰離子電池首次充放電的過程中，電解液中的某些組分(溶劑或是添加劑)發(fā)生還原分解并且產(chǎn)物沉積在負極材料石墨的表面形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，或是發(fā)生氧化分解并且產(chǎn)物沉積在正極材料的表面形成正極界面保護膜。良好而致密的界面保護膜能夠緩解電解液的分解，從而減少電池的不可逆容量并改善其循環(huán)性能。優(yōu)化電解液的組分，選擇合適的溶劑，鋰鹽以及添加劑是改善界面膜的有效途徑。自鋰離子電池1990商業(yè)化以來，開發(fā)改善負極成膜性能的添加劑并研究其作用機理和成膜成分已經(jīng)非常廣泛。比如，目前用于改善負極SEI性能的無機添加劑主要有 C02, S02等。開發(fā)比較成功的有機添加劑主要有1，2-亞乙烯碳酸酯(VC)，鹵化碳酸乙烯酯《4(，乂= ，(1，的(3)，亞硫酸乙烯酯和1，3-丙磺酸內(nèi)酯(PS)等。這些添加劑的作用主要是優(yōu)先于電解液溶劑發(fā)生還原分解從而抑制電解液的分解，在石墨負極形成良好的SEI， 提高電極的可逆容量和穩(wěn)定性。相比之下，開發(fā)和研究作用于正極材料的具有優(yōu)先于電解液溶劑發(fā)生氧化分解的添加劑相對要少很多，只是在近年來人們才開始關(guān)注這方面的研究。代表性的例子有Brett L. Lucht 等人Li Yang et al,“Inhibition of Electrolyte Oxidation in Lithium Ion Batteries with Electrolyte Additives”， Electrochemical and Solid-State Letters, 12，(12)，A229-A231, (2009)研究發(fā)現(xiàn)在 IM LiPF6/EC DEC DMC=I :1:1 的電解液中添加少量 2，5-DHF (dihydrofuran)或 GBL(gamma-butyrolactone) 可以在不同程度上有助于改善以高電壓材料Lil. 17ΜηΟ. 58Ν 0. 25為代表的對鋰半電池在2-4. 9V的循環(huán)性能，容量衰減得到了改善。另外Koji Abe等人Koji Abe, et al, “Functional electrolytes: Novel type additives for cathode materials,含上述添加劑的鋰離子電池電解液。本發(fā)明進一步限定的技術(shù)方案是
前述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，還含有碳酸乙烯酯，碳酸乙烯酯在添加劑中的重量百分含量為40_54%。前述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，還含有丙烯磺酸內(nèi)酯，丙烯磺酸內(nèi)酯在添加劑中的重量百分含量為40-54%。前述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，由具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)、碳酸乙烯酯和丙烯磺酸內(nèi)酯組成，具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在添加劑中的重量百分含
providing high cycleability performance，，，Journal of Power Sources 153 (2006) 328 - 335發(fā)現(xiàn)很少量的BP能夠顯著改善LiC02/graphite全電池的常溫和高溫循環(huán)性能和容量保持率。在這些研究成果中，DHF，GBL和BP這些添加劑能夠改善電池性能的作用機制在于，它們能夠優(yōu)先于電解液溶劑發(fā)生氧化反應并且產(chǎn)物沉積在正極表面形成非常薄的電導表面膜(Electro-conducting membrane, ECM)。這種膜可以避免活性正極與電解液的直接接觸從而緩解電解液的分解。目前市場越來越高的需求高能量高安全性低成本鋰離子電池促進了高鎳(高電壓)，錳酸鋰(低成本)材料的開發(fā)與使用。高鎳材料在電池存儲和循環(huán)過程中存在著嚴重的電池脹氣問題。而目前常規(guī)的電解液通常在超過4. 5V的充電電壓之后發(fā)生氧化分解，因此不能滿足高電壓材料在鋰離子電池中的使用。錳酸鋰電池在高溫存儲和高溫循環(huán)的過程中發(fā)生嚴重的容量衰減。這些問題都主要起源于正極和電解液差的界面性能所致。因此開發(fā)有效的功能性電解液添加劑改善活性正極與電解液的接觸界面是非常有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于針對目前作用于正極的高電壓電解液添加劑種類及性能提高非常有限，從而提出一種高電壓添加劑以改善正極與電解液的界面性能和兼容性，從而有效改善鋰離子電池的循環(huán)壽命。本發(fā)明的另一目的在于提供一種含有上述添加劑能提高鋰離子電池高電壓循環(huán)容量及壽命的鋰離子電池電解液。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案
一種鋰離子電池高電壓功能性電解液添加劑，含有具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)， 具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在添加劑中的重量百分含量為5-20%。具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)通式如下式
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池高電壓功能性電解液添加劑，其特征在于含有具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，所述具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在所述添加劑中的重量百分含量為5-20%ο
2.如權(quán)利要求I所述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，其特征在于還含有碳酸乙烯酯，所述碳酸乙烯酯在所述添加劑中的重量百分含量為40-54%。
3.如權(quán)利要求I所述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，其特征在于還含有丙烯磺酸內(nèi)酯，所述丙烯磺酸內(nèi)酯在所述添加劑中的重量百分含量為40-54%。
4.如權(quán)利要求I所述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，其特征在于由具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)、碳酸乙烯酯和丙烯磺酸內(nèi)酯組成，所述具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在所述添加劑中的重量百分含量為5-20%，所述碳酸乙烯酯在所述添加劑中的重量百分含量為40-54%,所述丙烯磺酸內(nèi)酯在所述添加劑中的重量百分含量為40-54%。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一項所述的鋰離子電池高電壓電解液添加劑，其特征在于 所述具有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)的物質(zhì)包括2，3-二甲基-I-苯基-3-批唑啉-5-酮，2，3-二甲基-I- (1,2)-甲苯基-3-吡唑啉-5-酮，2，3-二甲基-I- (1,3)-甲苯基-3-吡唑啉-5-酮，2，3- 二甲基-I- (1,4)-甲苯基-3-吡唑啉-5-酮及其衍生物。
6.含權(quán)利要求1-4中任意一項權(quán)利要求所述的添加劑的鋰離子電池電解液。
7.如權(quán)利要求6所述的鋰離子電池電解液，其特征在于所述電解液還含有電解質(zhì)以及非水有機溶劑，將所述添加劑加到非水有機溶劑中后，所述添加劑占非水有機溶劑與添加劑總重量的1-10%，優(yōu)選為2-7%。
8.如權(quán)利要求7所述的鋰離子電池電解液，其特征在于所述電解質(zhì)為LiPF6及LiBF4 中的一種或兩種，并且電解質(zhì)在電解液中的濃度為O. 2-2摩爾/升，優(yōu)選為O. 8-1. 5摩爾/ 升。
9.如權(quán)利要求7或8所述的鋰離子電池電解液，其特征在于所述非水有機溶劑選自以下至少兩種的混合物碳酸亞乙酯，碳酸丙烯酯，碳酸甲乙酯，碳酸二甲酯，碳酸二乙酯。
10.如權(quán)利要求9所述的鋰離子電池電解液，其特征在于所述非水有機溶劑含有碳酸亞乙酯及碳酸甲乙酯，并且兩者的重量分數(shù)為碳酸亞乙酯30-55份，碳酸甲乙酯45-70 份。
全文摘要
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋰離子電池非水性高電壓電解液的添加劑以及含有該添加劑的鋰離子電池高電壓電解液，添加劑含有不飽和環(huán)狀酰胺結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還公開了含有上述添加劑的鋰離子電池高電壓電解液。本發(fā)明的鋰離子電池電解液添加劑及電解液不僅能夠改善電解液與鋰離子電池正極材料的兼容性、而且還可以有效提高鋰離子電池高電壓下的電池容量以及循環(huán)壽命性能。
文檔編號H01M10/0567GK102593514SQ201210061550
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者吳梅梅, 申海鵬, 胡學山, 顧紅健 申請人:諾萊特科技(蘇州)有限公司