[發(fā)明專利]鋰離子電池電解液及其添加劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310046335.2
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103151560B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王可飛;張耀;陳杰;傅俊祥
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司44202
• 代理人: 王基才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠改善鋰離子電池低溫循環(huán)性能的電解液及其添加劑。

背景技術(shù)

隨著鋰離子電池在便攜式電器領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，鋰離子電池技術(shù)正朝著特殊領(lǐng)域如軍用和航空領(lǐng)域發(fā)展，目前鋰離子電池的主要應(yīng)用問題是低溫性能無法滿足要求，其在低溫下的輸出性能下降，主要表現(xiàn)在有效容量的下降和放電電壓平臺下降。

電解液作為在電池內(nèi)起傳導(dǎo)作用的離子導(dǎo)體，其性能及其與正負(fù)極形成的界面狀況很大程度上影響電池的溫度性能。鋰離子電池在低溫條件下，電解液粘度增大，電導(dǎo)率降低，導(dǎo)致充放電容量非常低甚至出現(xiàn)析理等現(xiàn)象，進(jìn)而引起產(chǎn)品不能正常使用甚至爆炸。經(jīng)研究，電解液的溶劑和添加劑對電芯在低溫下的性能有重要影響，如果增加低熔點(diǎn)、低粘度溶劑含量，電池的低溫性能確實(shí)有所提高，但其高溫性能會變差，兩者無法兼顧。

另一方面，離子液體具有熱穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬、不揮發(fā)、不燃燒等特點(diǎn)，作為新一代功能電解質(zhì)材料以及電解液添加劑在不同電池體系中的應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。功能化離子液體是在陰、陽離子中引入一個或多個官能團(tuán)或離子液體本身具有特定的結(jié)構(gòu)而賦予或使得離子液體具有某種特殊功能或特性，有望成為解決鋰離子電池溫度性能的突破點(diǎn)。

有鑒于此，確有必要開發(fā)出一種能夠改善鋰離子電池低溫循環(huán)性能、但對其高溫性能影響較小的電解液及其添加劑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供一種能夠在不影響鋰離子電池的高溫性能或影響較小的條件下，提高鋰離子電池的低溫循環(huán)性能的鋰離子電池電解液及其添加劑。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，發(fā)明人經(jīng)潛心研究發(fā)現(xiàn)：將N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季銨鹽加入鋰離子電池電解液中，能夠提高電解液對活性物質(zhì)極片的浸潤性，這是因?yàn)樵撐镔|(zhì)的疏水側(cè)鏈（氮原子上的取代基）與親水頭部（吡咯烷酮環(huán)）具有雙親特性，在降低表面張力和聚集行為方面有著顯著地作用，其原因在于：一是吡咯烷酮具有內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)，容易和正極粘結(jié)劑中的鹵素原子等產(chǎn)生氫鍵作用，而且羰基氧和氮原子具有較大極性容易與金屬原子產(chǎn)生配位作用，因此對正極片的潤濕能力非常強(qiáng)；二是疏水側(cè)鏈容易與負(fù)極片中的非極性物質(zhì)以及SEI膜中某些官能團(tuán)形成氫鍵等分子間作用力以及靜電作用等，對負(fù)極片的浸潤也有很大提高，還會通過這些作用覆蓋在負(fù)極或其SEI膜表面，形成物理的“保護(hù)膜”，能夠有效的減小甚至阻止溶劑在負(fù)極表面還原。此外在充放電時，離子液體陽離子與鋰離子的靜電斥力可減小鋰離子的濃差極化，從而減小鋰離子嵌插負(fù)極不及而析鋰，提高放電性能，從而改善鋰離子電池循環(huán)性能；而且N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季銨鹽在高溫下不影響電芯存儲，毒性很低，對環(huán)境溫和，是一種很有潛力的電解液添加劑。

基于上述理論，提供一種鋰離子電池電解液添加劑，其成分包括N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季銨鹽和SEI成膜添加劑，其中，N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季銨鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下，

式中：R可以為烷基、醚基、烷基氰基、烷基酯基、吡啶、4-氰基苯或4-三氟甲基苯取代基中的任意一種；陰離子X^-可以為二(三氟甲基磺酰)亞胺陰離子（TFSI^-）、雙(氟磺酰)亞胺陰離子（FSI^-）、（2,2,2-五氟磺酰基）（三氟甲基磺酰基）亞胺陰離子（ClC₂^-）或（2,2,2-三氟乙酰基）（三氟甲基磺酰基）亞胺陰離子（TASC^-）中的任意一種。

作為本發(fā)明鋰離子電池電解液添加劑的一種改進(jìn)，所述N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季銨鹽優(yōu)選為1-甲基-2-氧-1-丙基吡咯烷酮雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽（NMP-1）、1-(3-甲氧基丙基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽（NMP-2）、1-(氰基甲基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽（NMP-3）、1-(2-甲氧基-2-氧代乙基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮雙(氟磺酰)亞胺鹽（NMP-4），各化合物的結(jié)構(gòu)式如下：

作為本發(fā)明鋰離子電池電解液添加劑的一種改進(jìn)，所述SEI成膜添加劑為碳酸亞乙烯酯。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種鋰離子電池電解液，其包括鋰鹽、溶劑和添加劑，所述添加劑為前述任一段落中所述的添加劑。