一种锂离子电池电解液及锂离子电池制造技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池电解液和含有该电解液的锂离子电池，该电解液包括溶剂、锂盐以及含氮杂环化合物，所述含氮杂环化合物的环含有氮原子和碳原子，所述氮原子或所述碳原子上有取代基，至少一个所述取代基为吸电子取代基。本发明专利技术所添加的含氮杂环化合物具有较好的耐氧化性及对镍离子的络合作用，从而可形成络合物覆盖在正极表面，有效改善高镍三元材料中镍离子溶出与沉积的现象，以及改善了电池的循环性能及高温存储性能，提高了高镍三元电池的安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池电解液及锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池材料
，尤其涉及一种锂离子电池电解液及锂离子电池。
技术介绍
新能源汽车的普及以及对续航里程的要求，使得对电池的能量密度提出了更高的要求，高能量密度的锂离子电池，无疑成为本领域的研究热点。其中，高镍三元正极材料有着更高的克容量，可大大提升电池的能量密度，且优异的导电性能以及相对廉价的原材料，从而成为业内关注与研究的焦点。然而，高镍三元材料在应用中还存在一些问题，如长期循环性能不佳、安全性能不好等，主要原因在于电池循环中，随着锂离子的脱出，高镍三元材料会形成大量的四价镍离子，而四价镍离子的强氧化性会引发一系列寄生反应，导致高镍三元电池中的电解液快速消耗，生成的副产物如一些酸性物质也会加速正极材料中金属的溶出以及正极结构的坍塌，而溶出的金属会扩散至负极表面发生沉积，破坏负极表面的SEI膜，从而阻碍锂离子的嵌入与脱出，最终导致电池循环性能快速衰减、电池膨胀等安全性问题，进而制约了高镍三元电池的广泛应用。为解决高镍三元电池中所存在的问题，一方面可对高镍三元材料进行包覆和掺杂，进而降低其表面化学活性，减少电池中的副反应。如专利CN104852036A公开了一种采用铝包覆的高镍三元材料，专利CN105789600A公开了一种具有钨青铜结构的化合物包覆的三元材料，通过对三元材料的改进，使得制备的电池可表现出好的循环性能。然而采用包覆、掺杂的技术的难度与成本较大。另一方面，还可从电解液入手进行电池性能的优化，如更换抗氧化性更强的非碳酸酯类的有机物，如砜类、腈类、离子液体用作电解液溶剂，但其会存在黏度较大，介电常数小，离子电导率低等问题；此外，还可添加各种功能性的添加剂，少量的添加剂并不会影响电解液本体的理化性质，从而可有效改善三元电池体系的电池循环性能。
技术实现思路
基于
技术介绍
中所述的高镍三元电池体系中所存在的技术问题，本专利技术提供了一种锂离子电池电解液及锂离子电池，有效改善了高镍三元材料中镍离子溶出与沉积的现象，以及改善了电池的循环性能。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种锂离子电池电解液，包括溶剂、锂盐以及含氮杂环化合物，所述含氮杂环化合物的环含有氮原子和碳原子，所述氮原子或所述碳原子上有取代基，至少一个所述取代基为吸电子取代基。本专利技术的专利技术人经过大量的实验发现，通过在电解液中添加含氮杂环化合物用作络合添加剂，通过氮原子与高价镍离子的络合反应，生成稳定的络合物，可有效改善三元电池在循环过程中，所发生的电解液的分解、以及负极金属离子的沉积等影响电池性能的现象。一方面，随着正极锂离子的脱出，正极材料产生的高价镍离子会与电解液中的含氮杂环化合物发生络合反应，形成覆盖在正极表面的络合物膜，隔离了正极与电解液间的接触，降低了三元材料对电解液的氧化；另一方面，对于脱离正极表面而游离在电解液中的金属离子，含氮杂环化合物还可与其络合，进而避免了电解液中的金属离子游离到负极表面发生沉积反应而影响负极锂离子的脱嵌，从而保护负极的SEI膜，提高了电池的安全性能。此外，含氮杂环化合物中含有吸电子取代基，使得该类化合物有着较高的氧化电位，即在电池循环中不会被氧化，进而可发挥络合的作用；且与碳酸酯类电解液有着很好的兼容性，不会影响电解液本身的物性；吸电子取代基还可与高价镍离子发生络合反应，从而可提高络合效率，增加络合物的稳定性。另一方面，本专利技术提供了一种锂离子电池，包括如上所述的锂离子电池电解液。锂离子电池电解液中采用含氮杂环化合物用作络合添加剂，该类化合物中的氮原子以及环上的吸电子取代基均可与高价镍离子发生络合反应，形成稳定的络合物。一方面，与正极表面的高价镍离子络合，可在正极表面形成一层络合物膜，隔离正极与电解液间的接触，减少电解液被三元正极材料氧化而引发的副反应；另一方面，从正极脱出的金属离子，会被电解液中的含氮杂环化合物络合，避免了金属离子在负极沉积而影响锂离子的脱嵌，从而保护了负极的SEI膜不被破坏，提高了电池的安全性能和循环性能。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一方面，本专利技术实施例提供了一种锂离子电池电解液，包括溶剂、锂盐以及含氮杂环化合物，所述含氮杂环化合物的环含有氮原子和碳原子，所述氮原子或所述碳原子上有取代基，至少一个所述取代基为吸电子取代基。也就是说，该含氮杂环化合物的环上必须带有一个吸电子取代基，对于吸电子取代基的所处位置不做限定，可位于环上的碳原子上，也可位于环上的氮原子上。带有吸电子取代基的含氮杂环化合物有着较高的氧化电位，可用作添加剂稳定存在于电解液中而不会在电池循环过程中被氧化；吸电子基团以及氮原子均可与高价镍离子发生络合反应，生成稳定的络合物，一方面，生成的络合物可覆盖在正极表面，进而隔离正极与电解液间的接触，减少了电解液的分解、副反应的发生；另一方面，可与脱离正极材料的金属离子发生络合，减少了金属离子在负极的沉积，进而保护了负极SEI膜，保证了锂离子正常的脱嵌行为，提高了电池的安全性能和循环性能。进一步地，含氮杂环化合物环上的吸电子取代基为亚硝基，磺基，酰基，磺苯基，氰基，酯基，酰胺基中的一种或多种。优选地，含氮杂环化合物环上的吸电子取代基为氰基。吸电子取代基不仅可与高价镍离子络合，增加含氮杂环化合物中的络合位点，进而提高络合效率，而且还可提高含氮杂环化合物的耐氧化性，使其在电池循环过程中不会被氧化，从而发挥络合作用；氰基作为较强的吸电子基团，与高价镍离子的配位能力较强，因而采用带有氰基取代基的含氮杂环化合物用作电解液添加剂，可更好地改善电池性能。进一步地，含氮杂环化合物的环上所含氮原子的数目为2-6。氮原子数目较多，含氮杂环化合物的环会较大，使得该类化合物的溶解度较低，且粘度较大，用作电解液添加剂会影响电解液本身的性能，进而对电池性能产生影响，不利于电池性能的发挥。进一步地，含氮杂环化合物的环上吸电子取代基的数目是2-6。吸电子取代基数目较多，会造成含氮杂环化合物体积较大，使得与正极表面的高价镍离子发生络合时，由于位阻效应造成络合不完全，即正极表面的镍离子并未完全进行络合，络合物并不会致密的覆盖在正极表面，从而影响络合效果。进一步地，含氮杂环化合物可用以下通式表示：其中，A代表含有碳原子和氮原子的多元环，Cm表示环上含有m个碳原子，Nn表示环上含有n个氮原子；Rm’表示环上碳原子上带有m’个取代基，所述取代基为烷基、卤素、卤代烷基、氰基中的一种或多种；Rn表示环上氮原子上带有n个吸电子取代基，所述吸电子取代基为亚硝基、磺基、酰基、磺苯基、酯基、酰胺基、氰基中的一种或多种；其中，m’、m、n’和n是整数，0≤m’≤6，2≤m≤12，m’≤m；2≤n≤6，2≤n’≤6，n’≤n。进一步地，含氮杂环化合物选自1,3,5-三亚硝基-1,3,5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池电解液，其特征在于，包括溶剂、锂盐以及含氮杂环化合物，所述含氮杂环化合物的环含有氮原子和碳原子，所述氮原子或所述碳原子上有取代基，至少一个所述取代基为吸电子取代基。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池电解液，其特征在于，包括溶剂、锂盐以及含氮杂环化合物，所述含氮杂环化合物的环含有氮原子和碳原子，所述氮原子或所述碳原子上有取代基，至少一个所述取代基为吸电子取代基。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述吸电子取代基为亚硝基，磺基，酰基，磺苯基，氰基，酯基，酰胺基中的一种或多种，优选地，所述吸电子取代基为氰基。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述含氮杂环化合物环上的氮原子数目为2-6。


4.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述吸电子取代基的数目为2-6。


5.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述含氮杂环化合物可用以下通式表示：



其中，A代表含有碳原子和氮原子的多元环，Cm表示环上含有m个碳原子，Nn表示环上含有n个氮原子；Rm’表示环上碳原子上带有m’个取代基，所述取代基为烷基、卤素、卤代烷基、氰基中的一种或多种；Rn表示环上氮原子上带有n个吸电子取代基，所述吸电子取代基为亚硝基、磺基、酰基、磺苯基、酯基、酰胺基、氰基中的一种或多种；其中，m’、m、n’和n是整数，0≤m’≤6，2≤m≤12，m’≤m；2≤n≤6，2≤n’≤6，n’≤n。


6.根据权利要求1所述的锂离子电池电解液，其特征在于，所述含氮杂环化合物选自1,3,5-三亚硝基-1,3,5-三氮环己烷，1,3,5,7-四乙酰-1,3,5,7-四氮环辛烷，1,4,7,10-四甲苯磺酰-1,4,7,10-四氮环十二烷，1,4,8,11-四氮环十四碳-2,4,6,9,11,13-六烯-2,3,9,10-四氰基-6,13-二甲基，1,4,8,11-四氮环十四碳-2,4,6,9,11,13-六烯-2,3,9,10-四氰基-6,13-二戊基，1,4,8,11-四(乙氧碳酰甲基)-1,4,8,11-四氮环十四烷，1,4,7,10-四(乙氧羰基甲基)-1,4,7,10-四氮环十四烷，1,4,8,11-四(二甲基氨基...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟海敏，王圣，王丽娜，
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