锂离子电池及其电解液制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池及其电解液，所述电解液包括非水溶剂和溶解在非水溶剂中的锂盐，非水溶剂中含有N-取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物，该化合物的结构式如式I所示，其中，R1选自烷基、不饱和烷基、芳基、酰基以及磺酰基；R2、R3、R4和R5各自独立地选自氢、氟、氯、溴和碘中的任意一种。与现有技术相比，本发明专利技术锂离子电池电解液中的N-取代基邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物，在提高电池高温存储性能的同时，还会对其首次容量有所改善，

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池领域，更具体地说，本专利技术涉及一种锂离子电池及其电解液。
技术介绍
随着消费电子类的产品如笔记本电脑、手机、掌上游戏机、平板电脑等的普及，大家对其电池的要求也越来越严格，比如，要求电池又小又轻，而且还必须要拥有高容量、长循环寿命和稳定的性能。在二次电池中，锂离子电池比其它种类的电池拥有更高的能量密度，这一优势也使其在市场上占据了主流地位。近年来，非水溶剂锂离子电池也面临着相当严峻的考验，这是因为当人们为了满足产品要求而提高电池的能量密度时(如提高电池电压)，相当于同时给电池安全带来了不确定性。例如，当电池在高温下使用时，将会因电解液活性的提高而在阴阳极上引发剧烈的氧化还原反应，伴随着大量副反应的发生，生成的气体将导致电池逐渐膨胀。这不仅会导致电池甚至是使用电池的设备发生损坏，严重时还会导致电池内部短路或是胀破电池包装使得可燃性电解液泄露，因此存在引起火灾等安全事故的风险。可见，电解液的分解、电池的胀气等已成为必须解决的问题。目前，生产厂商大多是通过在电解液中加入能够在阴阳极片上生成保护膜的添加剂，来隔绝电解液与阴阳极在高温下的反应。但是，现有添加剂所生成的保护膜都具有较大的阻抗，往往会影响到电池的性能，如容量、循环等。因此，如何平衡电池能量密度和其他性能的关系一直是业界共同努力的方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种具有优异的首次充放电效率和优良的高温存储性能的锂离子电池及其电解液。为了实现上述专利技术目的，专利技术人经过潜心研究，发现式I所示的N-取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物能够改善电解液的高温性能，且不会影响其首次充放电效率。据此，本专利技术提供了一种锂离子电池电解液，其包括非水溶剂和溶解在非水溶剂中的锂盐，所述非水溶剂中含有N-取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物，该化合物的结构式如式I所示，在式I中，R1选自烷基、不饱和烷基、芳基、酰基以及磺酰基；R2、R3、R4和R5各自独立地选自氢、氟、氯、溴和碘中的任意一种。式I所代表的化合物与现有技术中使用的环状酰亚胺盐的电化学反应机理不同(本专利技术是有机化合物的作用，现有技术是阴离子作用)，而且在电解液中的溶解度也更好，其能够改善电池相关性能的主要原因可能是：1)该化合物的分子结构主体为邻苯甲酰磺酰亚胺，这个结构主体的化合物容易在阳极表面被还原；实验中发现在特定的化学结构中，杂原子的引入如S、N或者F类原子的引入，对提高电池的高温性能有帮助，这可能与阳极表面还原形成的固态电解质界面(SEI)膜有关；在不影响原SEI膜结构的情况下，杂原子引入的基团可能具有相对于碳酸盐类结构更耐高温的特性，从而增加SEI膜的稳定性，提高锂离子电池的高温存储特性；2)实验中还发现，该类物质在阴极也参与反应，我们怀疑其在阴极的反应可能为类似芳香族类物质的电聚合反应，而且在阴极的碱性条件下分子结构中的甲酰磺酰亚胺可能部分发生开环生成具有较好导离子性能的羧酸盐和磺酸盐结构，从而钝化了阴极在高温下对电解液的强氧化作用；3)再者，电池性能的改善或许还和季胺结构具有吸收HF的作用有关，这类结构在相关专利和文献中都有涉及；4)另外，实验中还研究了氮上不同取代基的这类化合物对电池性能的影响，发现不同取代基的改善效果不尽相同，这大概与其氧化反应生成的产物有关，具体原因未明。作为本专利技术锂离子电池电解液的一种改进，所述N-取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物在非水溶剂中的质量比为0.05％～2％。虽然式I所代表的化合物在电解液中具有良好溶解度，但是由于其本身具有较大的分子量，因此当添加量达到一定程度时，其电解液的粘度和电导率都会受到一定程度的影响。本专利技术将该化合物的优选浓度范围定为占非水溶剂质量的0.05％～2％，是因为当其浓度低于0.05％时，由于含量过少，形成的阴阳极钝化膜并不足以阻止电解液的进一步反应，所以对电池性能的改善效果也不明显；而浓度高于2％时，反应会过于剧烈，成膜的阻抗将急剧加大而恶化电池循环性能。作为本专利技术锂离子电池电解液的一种改进，所述式I中的R1优选为磺酰基或者酰基，原因是这两种基团较烷基、不饱和烷基、芳基对锂离子穿梭的阻抗更小，所形成的SEI膜效率更高。其中，磺酰基为烷烃磺酰基、卤代烷烃磺酰基，酰基为烷烃酰基、卤代烷烃酰基。作为本专利技术锂离子电池电解液的一种改进，所述式I所示化合物优选为N-丙炔基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-丙烯邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲氧甲酰基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲磺酰基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-三氟甲磺酰基邻苯甲酰磺酰亚胺或N-丙炔基单氟代邻苯甲酰磺酰亚胺。作为本专利技术锂离子电池电解液的一种改进，所述非水有机溶剂中还含有：碳酸丙烯酯；以及碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯、丙烯酸甲酯、乙烯亚硫酸酯、丙烯亚硫酸酯、亚硫酸二甲酯、二乙基亚硫酸酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙磺酸内酯、硫酸乙烯酯、酸酐、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、二甲亚砜、甲硫醚、γ-丁内酯、四氢呋喃、含氟环状有机酯、含硫环状有机酯、含不饱和键环状有机酯中的一种或几种。作为本专利技术锂离子电池电解液的一种改进，所述锂盐选自LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)、LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3、LiClO4或其组合，LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)中的x、y为正整数。此外，本专利技术还提供了一种锂离子电池，其包括正极片、负极片、间隔于正极片和负极片之间的隔离膜，以及电解液，其中，所述电解液为前述锂离子电池电解液。作为本专利技术锂离子电池的一种改进，所述正极上包含能脱出、接受锂离子的正极材料，所述负极片上包含能接受、脱出锂离子的负极材料。作为本专利技术锂离子电池的一种改进，所述正极材料为锂过渡金属复合氧化物。作为本专利技术锂离子电池的一种改进，所述所述锂过渡金属复合氧化物包含锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、上述锂过渡金属氧化物添加其他过渡金属或非过渡金属得到的化合物中的一种或几种。作为本专利技术锂离子电池的一种改进，所述负极材料选自软碳、硬碳、人造石墨、天然石墨、硅、硅氧化合物、硅碳复合物、钛酸锂、能与锂形成合金的金属中的一种或几种。具体实施方式为了使本专利技术的专利技术目的、技术方案和技术效果更加清晰，以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅是为了解释本专利技术，并非为了限定本专利技术。对比例1电解液的配制：将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)以40:40:20的重量比混合，并溶解1M的锂盐LiPF6。正极片的制备：将正极活性物质钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比96:2:2在N-甲基吡咯烷酮溶剂体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池电解液，包括非水溶剂和溶解在非水溶剂中的锂盐，其特征在于：所述非水溶剂中含有N‑取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物，该化合物的结构式如式I所示，在式I中，R1选自烷基、不饱和烷基、芳基、酰基以及磺酰基；R2、R3、R4和R5各自独立地选自氢、氟、氯、溴和碘中的任意一种。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池电解液，包括非水溶剂和溶解在非水溶剂中的锂盐，其
特征在于：所述非水溶剂中含有N-取代邻苯甲酰磺酰亚胺类化合物，该化合物
的结构式如式I所示，
在式I中，R1选自烷基、不饱和烷基、芳基、酰基以及磺酰基；R2、R3、
R4和R5各自独立地选自氢、氟、氯、溴和碘中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述N-取代邻
苯甲酰磺酰亚胺类化合物在非水溶剂中的质量比为0.05％～2％。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述式I中的
R1优选为烷烃磺酰基、卤代烷烃磺酰基、烷烃酰基、卤代烷烃酰基。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述式I所示
化合物优选为N-丙炔基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-丙烯
邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲氧甲酰基邻苯甲酰磺酰亚胺、N-甲磺酰基邻苯甲酰磺
酰亚胺、N-三氟甲磺酰基邻苯甲酰磺酰亚胺或N-丙炔基单氟代邻苯甲酰磺酰亚
胺。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于：所述非水有机
溶剂中还含有：碳酸丙烯酯；以及碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳
酸二丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸
乙烯酯、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯、丙烯酸甲酯、乙烯亚硫酸酯、丙烯
亚硫酸酯、亚硫酸二甲酯、二乙基亚硫酸酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙磺酸内酯、
硫酸乙烯酯、酸酐、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、N-甲基...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶士特，付成华，王小梅，褚春波，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35