[發明專利]一種多功能高電壓電解液及其在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 202110878819.8
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113782830A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 洪波;賴延清;劉方巖;黃澤彧;張智;白茂輝;張治安;周言根;方靜
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉

本發明公開了一種多功能高電壓電解液及其在鋰離子電池中的應用。添加了同時包含硼基(?B?)和腈基(?C≡N)功能基團的硼腈類化合物功能添加劑的鋰離子電池電解液，利用硼腈類化合物中硼基和腈基的協同作用，在鋰離子電池首次充放電過程中在正極表面形成一層致密穩定的CEI膜，以提高正極和電解液之間的界面穩定性，避免電解液與正極活性物質的直接接觸，同時抑制了電解液在高電壓下的氧化分解，使得電解液具有高氧化電位，進而能匹配高電壓正極材料，因此，利用包含硼腈類化合物功能添加劑的電解液可以獲得在高電壓(≥4.5V)下具有優異循環性能和倍率性能的鋰離子電池。

技術領域

本發明涉及一種電解液，具體涉及一種含有硼腈類化合物功能添加劑的多功能高電壓電解液，還涉及該多功能高電壓電解液在鋰離子電池中的應用，屬于鋰離子電池技術領域。

背景技術

隨著經濟的發展和科技的進步，電子產品、電動汽車、醫療設備和航空航天等領域對儲能器件的要求日益提高，鋰離子電池由于具有能量密度大、工作電壓高、體積小、循環壽命長等優點，得到了廣泛應用。目前，商業用鋰離子電池的正極材料主要有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元材料幾種，其充電截止電壓一般不超過4.2V。而提高充電截止電壓是提高正極材料實際放電容量的一種十分有效的方法，也是實現更高能量密度鋰離子電池的一種很有前景的策略。

但是，隨著電壓的提高，電池的電化學性能也會隨之下降。主要是因為電解液在較高的工作電壓下會持續分解，不斷腐蝕正極，造成正極結構的破壞；除此之外，電解液的分解產物會在正極表面不均勻的沉積，增大了界面阻抗和電池極化。所以有效改善正極和電解液的界面問題成為目前研究的重點。

添加少量具有特定官能團的電解液添加劑是提高正極/電解質界面穩定性最經濟、最直接的方法。在眾多添加劑中，硼基添加劑和腈基添加劑是非常受歡迎的高電壓電解液添加劑。硼基添加劑由于氧化電位比碳酸酯溶劑低，可以優先在正極表面氧化分解形成一層致密穩定的CEI膜，抑制正極表面的電解液分解，從而表現出優異的電化學性能。例如，專利CN 105633464 A公開了一種含硼酸三甲酯添加劑的高壓功能電解液，該種添加劑優化了正極表面膜，減小正極和電解液之間的電阻，從而使得含有這種電解液添加劑的鋰離子電池在3～4.5V下的循環性能得到改善。但進一步提高充電截止電壓，正極結構的穩定性會遭到破壞，電池的使用壽命大幅縮短。腈基添加劑中的腈基(-C≡N)可以和正極中的過渡金屬離子進行配位，有效抑制其溶解進入電解液中，減少了副反應的發生，提高了高電壓下正極結構的穩定性。例如，專利CN 109473721 A提供了一種含有雜環腈類化合物的高電壓電解液添加劑，該添加劑用于鋰離子電池可以明顯拓寬電化學窗口，但循環穩定性有待進一步提高。

綜上所述，這些現有技術中常見的硼基添加劑或腈基添加劑具備的功能較為單一，不能很好解決鋰離子電池在高電壓下存在的多種問題，如果將硼基添加劑和腈基添加劑同時加入在改性效果上會互相受到抑制，而達不到協同改性的效果，對于提高鋰離子電池在高電壓下的循環穩定性作用有限。

因此，本領域急需開發一種多功能高電壓電解液添加劑，這對進一步提高鋰離子電池的能量密度具有重要意義。

發明內容

針對現有技術中的鋰離子電池電解液存在的缺陷，導致鋰離子電池在高電壓下存在放電比容量低、循環性能差以及能量密度低等技術問題，本發明的第一個目的是在于提供一種包含硼腈類化合物功能添加劑的電解液，電解液中的硼腈類化合物功能添加劑能夠在鋰離子電池正極材料表面形成致密且穩定的CEI膜，提高正極與電解液之間界面的穩定性，有效抑制電解液的氧化分解，減少電解液對正極材料的溶解腐蝕。

本發明的第二個目的是在于提供一種多功能高電壓電解液在鋰離子電池中的應用，采用該電解液的鋰離子電池在高電壓(≥4.5V)下具有良好的循環性能和倍率性能。

為了實現上述技術目的，本發明提供了一種多功能高電壓電解液，其包含硼腈類化合物功能添加劑；

所述硼腈類化合物具有式I所示結構：