锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液制造技术

锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液，属于电化学储能技术领域。该电解液含有锂盐、溶剂及添加剂，锂盐浓度范围在1.0

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液


[0001]本专利技术属于电解液
，具体地，涉及锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液的制备以及该电解液在锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种便携式储能设备也广泛应用于手机、笔记本电脑、相机、电动自行车和电动汽车等领域。根据中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》，到2020年，纯电动汽车动力电池单体比能量密度达到350Wh/kg；2025年达到400Wh/kg；2030年则要达到500Wh/kg。根据对现有产业技术的了解，现在锂离子电池的能量密度在240Wh/kg左右，但是现在电动汽车的续航里程还不太令人满意，因此提升锂离子动力电池的能量密度迫在眉睫。
[0003]为了满足汽车的高能量密度要求，一个实用的方法是提高电池的工作电压，电池工作电压逐步从4V提升到5V。高压正极材料例如LiNi
0.5
Mn
1.5
O4和富锂层状氧化物制备技术已逐渐成熟。富锂锰基材料具有成本低、容量高、无毒安全等优点，但同时也存在一些挑战。存在首圈循环不可逆容量高、高压下电解液分解、电极与电解液的副反应加剧和过渡金属的溶出等问题，目前寻求适用于高电压正极材料的电解液迫不及待。
[0004]传统上，锂盐浓度为1.0mol/L，但其存在热稳定性差、易燃性高、电化学窗口窄的缺点，高浓度电解液因其独特的溶剂化结构展现出优异的性能。高浓度下几乎所有的溶剂分子和阴离子参与溶剂化，形成特殊的三维网状结构。(1)与Li
>+
配位的溶剂分子显示出比其自由状态的分子更高的氧化稳定性，这是由于其最高分子占据轨道(HOMO)水平向下移动。因此，高浓度电解液可以减少溶剂氧化分解，拓宽电解液的电化学稳定窗口；(2)阴离子优先氧化，构筑稳健的有机
‑
无机复合正极与电解液界面膜(CEI)，抑制电解液与电极之间的副反应；(3)改善倍率性能，Li
+
可在电极进行快速的嵌入脱出反应；(4)高浓度电解液产生稳固的负极与电解液界面膜(SEI)，其抑制电解质和Li金属之间的副反应以及枝晶生长；(5)抑制过渡金属的溶解，三维网状溶剂化结构很少有自由状态溶剂分子协调来自正极的金属阳离子；电极与电解液界面膜的保护进一步增强的3D网络抑制了金属阳离子扩散到本体电解质相；(6)抑制电解液的燃烧，高浓度电解液呈现饱和状态，减少了溶剂的挥发。
[0005]电解液的开发是高压正极材料锂离子电池研发的关键之一。基于上述高浓度电解液的优势，优选合适的电解液体系，同时提升高压正极材料锂离子电池循环稳定性和安全性能，这具有重要的科研和应用价值。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种适用于高压正极材料电解液，此电解液为高浓度电解液。通过简单溶剂化结构的策略来改变锂离子的溶剂鞘层，拓宽电解液的电化学窗口，抑制高压状态下电解液分解；构筑稳健韧性的正极固态电解质膜，抑制电极与电解液发生的副反应，过渡金属的溶解，以此实现锂离子电池长循环寿命、高库伦效
率和高安全性能。提供一种新型高浓度电解液以及该电解液在锂离子电池、锂金属电池、锂的电沉积中的应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用技术方案如下：
[0008]本专利技术提供的一种高浓度电解液，该电解液含有锂盐、溶剂及添加剂，锂盐浓度范围在1.0
‑
5.0mol/L，优选1.2
‑
5.0mol/L。
[0009]所述锂盐选自：六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双五氟乙基磺酰亚胺锂(LiBETI)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、高氯酸锂(LiClO4)中的一种或几种，优选六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)；
[0010]所述溶剂选自：碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、乙酸乙酯(EA)、碳酸丙烯酯(PC)中的一种或几种以不同比例混合，优选碳酸二甲酯(DMC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)；
[0011]所述添加剂选自正极添加剂或/和负极添加剂，所述添加剂总质量为电解液总质量的0
‑
10％，优选0
‑
5％；正极添加剂如二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、三(三甲基硅烷)磷酸酯(TMSP)、1,3,6
‑
己烷三腈(HTCN)、磷酸三乙酯(TEP)、亚磷酸三乙酯(TEPi)、丁二酸酐(SA)中的一种或几种；负极添加剂如碳酸亚乙烯酯(VC)、硝酸锂(LiNO3)、乙烯基碳酸乙烯酯(VEC)、硫酸亚乙酯(DTD)中的一种或几种。
[0012]本专利技术所述电解液通过以下方式制得：在惰性气氛保护下，将溶剂混合并搅拌，然后少量多次加入锂盐，搅拌8h使其完全溶解后，加入添加剂继续搅拌至完全溶解。优选方案为：在室温下，在氩气保护的手套箱内(含氧气及水量<0.1ppm)，将锂盐缓慢多次加入溶剂混合物中，并持续2
‑
24h均匀搅拌溶解，待锂盐溶解完全后，再加入添加剂，继续搅拌溶解2
‑
24h(根据添加剂种类不同，选择合适加热温度为40
‑
80℃)，得到澄清透明溶液。
[0013]本专利技术还提供了一种应用该新型高浓度电解液的高压锂离子电池，所述锂离子电池包括正极、负极和上述电解液；
[0014]本专利技术所涉及的高压锂离子电池的正极活性材料为高镍三元材料、高压钴酸锂、富锂锰基层状氧化物和高压尖晶石LiNi
0.5
Mn
1.5
O4材料中的一种或几种。例如，所述正极活性材料可以为富锂锰基层状氧化物正极活性材料Li
1.13
Mn
0.517
Ni
0.256
Co
0.097
O2。
[0015]根据本专利技术，所述负极材料包括但不限于锂金属、天然石墨、人工石墨、中间相碳微球、以及近年来备受关注的软碳、硬碳材料中的至少一种或两种。
[0016]本专利技术的电解液，利用高浓度电解液装成的高压锂离子电池可以进行稳定的充放电反应，循环稳定性较好，库伦效率较高，另外，该电解液具有较宽的电压窗口高，提升电池安全性能。此外，高浓度电解液中独特的溶剂化鞘层的内层结构对电解液正极界面稳定性的影响尚不明确，值得探索。
附图说明
[0017]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施例一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0018]图1是对应本专利技术实施例10的电解液的电化学窗口曲线；
[0019]图2是对应本专利技术实施例10的电解液的Li
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液，其特征在于，电解液含有锂盐、溶剂及添加剂，锂盐浓度范围在1.0
‑
5.0mol/L；所述锂盐选自：六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、双五氟乙基磺酰亚胺锂(LiBETI)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、高氯酸锂(LiClO4)中的一种或几种，优选六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)；所述溶剂选自：碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、乙酸乙酯(EA)、碳酸丙烯酯(PC)中的一种或几种以不同比例混合，优选碳酸二甲酯(DMC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)；所述添加剂选自正极添加剂或/和负极添加剂，所述添加剂总质量为电解液总质量的0
‑
10％，优选0
‑
5％。2.按照权利要求1所述的一种匹配锂离子电池高压正极材料高浓度电解液，其特征在于，锂盐浓度1.2
‑
5.0mol/L。3.按照权利要求1所述的一种匹配锂离子电池高压正极材料高浓度电解液，其特征在于，正极添加剂选自二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、三(三甲基硅烷)磷酸酯(TMSP)、1,3,6
‑
己烷三腈(HTCN)、磷酸三乙酯(TEP)、亚磷酸三乙酯(TEPi)、丁二酸酐(SA)中的一种或几种；负极添加剂选自碳酸亚乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：尉海军，韩志杰，梁媛，赵景腾，郭现伟，张旭，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：