一种锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池制造技术

本发明专利技术提出了一种硅负极锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池，所述非水电解液包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池
本专利技术属于锂离子电池领域，尤其涉及一种硅负极锂离子电池非水电解液、锂离子电池负极及包含该负极的锂离子电池。
技术介绍
现有技术中，硅基材料（硅、硅合金和硅碳复合材料）因在室温下具有超高的理论比容量和合适的操作电压，因此，硅负极因为有可能在下一代锂离子电池中取代石墨负极而备受关注；另一方面，硅电极与石墨电极相比，硅电极在充放电过程中体积变化更大，且硅表面与电解液的反应性更强，电池在经过首次充放电循环后，硅电极的表面上仍会发生电解液的还原反应，因此，电极表面在没有SEI钝化膜或SEI钝化膜覆盖不完全的情况下，这些反应会加剧电极比容量的损失。而根据进一步的研究发现，若采用硅作为负极活性物质，硅与电解液中的锂盐的阴离子（如PF6−）之间的反应比其与锂电池电解液中的有机溶剂（如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）等）之间的反应性更强；硅与电解液中的锂盐的阴离子（如PF6−）之间反应会生成稳定的磷氟化合物，而被这些磷氟化合物覆盖的硅电极便不能再与锂反应，从而造成了电池比容量的下降；因此，为了防止硅电极与电解液之间的直接反应，对电极/有机电解液界面之间SEI层的改性显得尤为必要。目前大多数研究人员依然通过在电解液中添加碳酸亚乙烯酯（VC）或其他的成膜添加剂作为硅负极成膜添加剂，而此类成膜添加剂的成膜原理大致相同，均是通过在一定电位下发生还原反应并在在负极形成一层保护膜；该类方法存在一个较大的问题，因为硅负极在锂离子的嵌脱过程中会发生很明显的体积膨胀，这就使得在负极表面形成的保护膜因硅的体积膨胀而发生破裂，在锂电池进行下一次的充放电过程中，保护膜破裂的地方会与电解液发生副反应而消耗电解液，以此形成恶性循环。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术问题，本申请提出了一种硅负极锂离子电池非水电解液包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，其特征在于，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：式(1)；其中M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、l链状烷氧基-Cn2H2n2+1O、链状氨基-H2N(CH2)n3中的一种；或M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种；其中，1≤n1≤20，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4，2≤n3≤15。本申请通过在电解液中添加本申请所述结构的硅烷成膜添加剂，该结构的硅烷成膜添加剂属于一种长链大分子，且极易吸附在硅负极材料层表面，该种结构的硅烷中的Si-R1、Si-R2、Si-R3键极易发生水解而形成Si-H键；与此同时，硅负极材料层在空气中时易发生羟基化，在表面形成Si-OH键，当表面形成大量Si-OH键硅负极材料层与本申请所述的非水电解液接触时，本申请所述结构的硅烷成膜添加剂吸附在硅负极材料层的表面，经水解后的硅烷成膜添加剂分子中的Si-H键与羟基化后的硅负极材料层表面的Si-OH键发生缩聚反应形成Si-O-Si键键合连接，该硅烷成膜添加剂分子中的Si-R1、Si-R2、Si-R3键被Si-O-Si键代替，从而在硅负极材料层表面形成紧密排列、二维有序且热力学稳定的硅烷自组装单分子膜层；该单分子膜层能够有效阻止溶剂分子通过，并将溶剂分子隔绝在硅负极附近，从而阻止溶剂分子在负极表面发生还原反应；并且，当硅负极发生体积膨胀效应时，该单子膜层能够在硅负极表面保持完好状态，有效地阻碍硅负极与电解液的接触，解决了现有技术中普通成膜添加剂在硅负极表面成膜后由于硅负极的体积膨胀效应而发生膜破裂的问题。本申请进一步提供一种硅负极，包括负极集流体和位于负极集流体表面的硅负极材料层，其特征在于，还包括位于硅负极材料层表面的成膜添加剂自组装单分子膜层，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：式(1)；其中M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O、链状氨基-H2N(CH2)n3中的一种；或M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种；其中，1≤n1≤20，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4，2≤n3≤15。该结构的硅烷成膜添加剂吸附在硅负极材料层表面，在硅负极材料层表面形成紧密排列、二维有序且热力学稳定的硅烷自组装单分子膜层，能够在硅负极发生体积膨胀效应时，使硅负极表面保持完好状态，防止由于硅负极的体积膨胀效应而发生膜破裂的问题。本专利技术进一步提出了一种硅负极的制备方法，包括：(1)在负极集流体表面形成硅负极材料层；(2)将本申请上述的非水电解液与硅负极材料层表面接触，接触的温度为20~50℃，接触时间为24h~96h。本专利技术进一步提出了一种由上述硅负极制备方法制备得到的硅负极。通过该种方法制备得到的硅负极，能够有效地在硅负极的表面形成一层稳定的本申请所述结构的硅烷成膜添加剂自组装单分子膜层，该单分子膜层不仅能够有效地将电解液中的溶剂分子隔绝在负极附近，以阻止溶剂分子与负极表面发生副反应，同时，该单分子膜层不会因为硅负极的体积膨胀效应而发生破裂的问题，在硅负极发生体积膨胀效应时，该单分子膜层能依然保持完好的状态，以有效阻止溶剂分子在在硅负极表面发生还原反应而影响电池性能。本专利技术进一步提出了一种硅负极锂离子电池，包括壳体和容纳于壳体内的电芯、非水电解液，电芯包括正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜，其特征在于，所述负极为上述任意一种所提供的硅负极。本申请提供的锂离子电池负极，具有良好的循环性能及较高的充放电效率。本专利技术的硅负极可以是上述电解液应用于电池后，成膜添加剂与负极接触后形成附着自组装单分子膜层的硅负极，也可以电池外部等直接制备的形成有自组装单分子膜层的硅负极，后应用于电池，本专利技术保护的是一种具有特殊结构的成膜添加剂于含有硅负极的电池中的应用。具体实施方式本专利技术提出了一种硅负极锂离子电池非水电解液，包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：式(1)；其中M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O、链状氨基-H2N(CH2)n3中的一种；或M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种；其中，1≤n1≤20，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4，2≤n3≤15。根据本专利技术提出的非水电解液，优选地，上述结构式中的M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl或链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种，其中，3≤n1≤20，1≤n2≤4。根据本专利技术提出的非水电解液，优选地，上述结构式中的M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl或链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种，其中，3≤n1≤10，1≤n2≤4。根据本专利技术提出的非水电解液，优选地，所述成膜添加剂为六烷基三氯硅烷、十烷基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三乙氧基硅烷中的一种或多种。根据本专利技术提出的非水电解液，优选地，M为链状的氨基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅负极锂离子电池非水电解液，包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，其特征在于，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：

【技术特征摘要】
1.一种硅负极锂离子电池非水电解液，包括锂盐、非水溶剂以及成膜添加剂，其特征在于，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：式(1)；其中M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O、链状氨基-H2N(CH2)n3中的一种；或M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种；其中，1≤n1≤20，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4，2≤n3≤15。2.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl或链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种，其中，3≤n1≤20，1≤n2≤4。3.根据权利要求2所述的非水电解液，其特征在于，M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl或链状烷氧基-Cn2H2n2+1O中的一种，其中，3≤n1≤10，1≤n2≤4。4.根据权利要求3所述的非水电解液，其特征在于，所述成膜添加剂为六烷基三氯硅烷、十烷基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三乙氧基硅烷中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为链状烷氧基-Cn2H2n2+1O，其中，3≤n1＇≤20，1≤n2≤4。6.根据权利要求5所述的非水电解液，其特征在于，所述成膜添加剂为3-氨基丙基三甲氧基硅烷或11-氨基十一烷基三甲氧基硅烷中的一种或两种。7.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，以所述非水电解液的总重量为基准，所述成膜添加剂的含量为0.1%~10%。8.一种硅负极，包括负极集流体和位于负极集流体表面的硅负极材料层，其特征在于，还包括位于硅负极材料层表面的成膜添加剂自组装单分子膜层，所述成膜添加剂为式(1)所示结构的硅烷：式(1)；其中M为链状的烷基-Cn1H2n1+1，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状烷氧基-Cn2H2n2+1O、链状氨基-H2N(CH2)n3中的一种；或M为链状的氨基-H2N(CH2)n1＇，R1、R2、R3相同，为-Cl、-F、链状...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔飞燕，王圣，黄荣刚，钟海敏，任建新，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44