抑制枝晶的锂离子电池电解液及锂离子电池制造技术

本发明专利技术公开了一种抑制枝晶的锂离子电池电解液，包括有机溶剂和锂盐，还包括有复合表面活性剂和成膜添加剂；所述复合表面活性剂包括碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂；所述碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂的质量比为1:0.8～1.2；本发明专利技术通过在电解液中添加复合表面活性剂和成膜添加剂，在不影响电解液主要功能的基础上，复合表面活性剂能够降低电解液添加剂的粘度，使得电解液的各项性能得到有效改善，电解液即具有良好的浸润性、不燃性，又具有较高的导电率；成膜添加剂能够在电极上能形成稳定且电导率高的SEI膜，SEI膜对抑制枝晶的生长起着关键作用，有效抑制锂枝晶的生长，同时可有效阻止EC的分解，有效的抑制电解液中水分的分解。分解。分解。

【技术实现步骤摘要】
抑制枝晶的锂离子电池电解液及锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别是一种抑制枝晶的锂离子电池电解液及锂离子电池。

技术介绍

[0002]锂电池自1958年被专利技术以来，至今已有一百多年的历史。锂电池具有结构简单、性能可靠、使用方便、原料易得和价格便宜等优点，被广泛应用于交通运输、通讯和国防等国民经济中的众多领域，已成为社会生产和人类生活中不可缺少的能源产品。
[0003]金属锂(Li)非常轻，理论比容量为3861mAhg
‑
1，相对原子质量为6.94，密度为0.53gcm
‑
3，标准电极电势为
‑
3.04V，在所有金属元素中氧化还原电位最低；因此，将金属锂作为负极的锂电池有利于获得较高的工作电压和质量能量密度。锂电池可以分为锂原电池(一次电池)和锂二次电池。锂原电池只能进行一次放电，不能进行充电再利用；而锂二次电池可进行反复充放电循环利用。锂原电池在20世纪70年代就实现了商业应用，其中常见的类型有Li||CFx(x<1)、Li||MnO2、Li||SOCl2等。然而，锂二次电池却由于面临着锂枝晶的问题发展一直停滞不前。锂枝晶的生长会造成不可逆容量增加，恶化电池性能；当锂枝晶生长到一定程度时，一方面可能会刺穿隔膜与正极接触，造成内部短路，情况严重时还会引起火灾、爆炸等安全事故；另一方面，部分锂枝晶可能会折断，形成大量电子绝缘的“死锂”；同时还会导致电解质和活性锂消耗，降低库伦效率。20世纪80年代末，Goodenough等完成了锂离子电池原型的设计，他们提出将LiCoO2作为正极，层状石墨替代金属锂作为负极。1991年日本索尼公司实现了石墨||LiCoO2电池的商业化。这种电池通过锂离子的迁移实现充放电并且电池中没有单质锂，因此将其命名为“锂离子电池(Lithiumionbattery,LIB)”。随后，科研工作者又相继开发出LiFePO4、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2以及Li4Ti5O12等电极材料，锂离子电池的发展进入了快车道，商业化锂离子电池能量密度达到150
‑
250WhKg
‑1。当前，世界各国陆续开始制定相关的政策目标引领锂离子电池行业的发展。中、日、美等各国政府明确表示到2020年实现单体电池能量密度超过300Whkg
‑1，2030年能量密度超过500Whkg
‑1。为实现这一目标，目前公认的做法是提高电池的工作电压或提高电极材料的比容量，研发对应的适配电解液。
[0004]当前锂离子电池正朝着高能量密度、高安全性的方向发展。但传统非水电解液中的碳酸酯类溶剂具有高的可燃性和挥发性，在高工作电压、过充、过热等滥用情况下可能引起锂离子电池出现起火、爆炸等安全问题，为了克服非水电解液易燃问题，传统的做法是在非水电解液中添加阻燃剂，但是这些阻燃剂会在负极表面发生强烈的氧化还原反应，导致石墨剥离，严重恶化电池性能。
[0005]为了提高锂离子电池安全性能，使其更加经济有效，通常还会在电解液中引入多功能电解液添加剂，多功能复合电解液添加剂对改善锂离子电池的综合性能具有显著效果，是锂离子电池较为理想的添加剂。研究表明，采用添加剂如HF、FEC、痕量H2O(25
‑
50ppm)、VC、Mg(TFSI)2、LiNO3等有利于在负极表面形成致密、稳定的SEI膜，继而抑制锂枝晶
的生长和提升库伦效率。
[0006]另一种思路是使用高浓度电解液，高浓度电解液由于其电解液中溶剂分子数减少，阴离子与Li+之间的相互作用增强，电解液中锂盐
‑
溶剂配位结构由SSIP逐渐转变为CIP以及AGG。高浓度电解液特殊的溶剂配位结构使其具有许多特殊的性质，如抑制石墨剥离以及锂枝晶生长、防止集流体腐蚀、提升充放电速度、抑制Li
‑
S电池中长链多硫化物的溶解。
[0007]电池能量密度的提升使安全性问题日益突出。为提升电池的安全性和保证较优的电池性能，采用添加多功能添加剂，但现有的多功能复合电解液添加剂浓度较高导致粘度增大，一方面提高了电解液添加剂的制作成本，另一方面在改善电解液防过充和阻燃性能的同时带来了影响电解液的电导率的新的问题；此外，现有的电解液添加剂中包括含腈等有毒化合物，使得电解液的添加剂的应用范围大大受限。
[0008]现有的电解液无法有效抑制锂枝晶生长，粘度大，安全性能低，SEI膜不稳定。为实现高比能锂二次电池的商业化，亟需解决锂枝晶生长、粘度大、安全性能低、SEI膜不稳定的问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种抑制枝晶的锂离子电池电解液及锂离子电池。
[0010]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种抑制枝晶的锂离子电池电解液，包括有机溶剂和锂盐，还包括有复合表面活性剂和成膜添加剂；所述复合表面活性剂包括碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂；所述碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂的质量比为1:0.8～1.2；本专利技术通过在电解液中添加复合表面活性剂和成膜添加剂，在不影响电解液主要功能的基础上，复合表面活性剂能够降低电解液添加剂的粘度，使得电解液的各项性能得到有效改善，电解液即具有良好的浸润性、不燃性，又具有较高的导电率；成膜添加剂能够在电极上能形成稳定且电导率高的SEI膜，SEI膜对抑制枝晶的生长起着关键作用，有效抑制锂枝晶的生长，同时可有效阻止EC的分解，有效的抑制电解液中水分的分解。
[0011]本专利技术的复合表面活性剂包括碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂，氟元素是电负性最强的元素，它具有高氧化势、高电离能，这种特性一方面造成氟
‑
碳(F
‑
C)键的键能高，实际上F
‑
C键是已知键能最高的共价键，因而氟碳链结构远比碳氢结构稳定；另一方面氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性比碳氢链小。正是因为这种低极性，使氟碳链的疏水作用远比碳氢链强烈，其实，低极性不但使氟碳链疏水，而且还疏油，这里油是指碳氢类化合物；另外，低极性又导致氟碳链相互间作用力弱。这二个因素共同作用使得氟碳表面活性剂分子在水溶液中有比其它表面活性剂分子更加强烈的倾向来脱离水溶液，在液/气界面上定向聚集排列成分子膜，从而使其具有与其它表面活性剂所不同的二种特性。
[0012]碳氟表面活性剂具有极好的相容性，可广泛用于各种PH值范围、各类水性、无水、粉末或辐射固化体系，并能与体系中其它表面活性剂和组份很好地相容。氟碳表面活性剂还具有极高的稳定性。这是因为一方面F
‑
C键的键能高，很难被破坏；另一方面氟原子对碳
‑
碳键(C
‑
C)具有屏敝效应。氟原子的半径比氢原子大，可有效地将全氟化的碳
‑
碳键(C
‑
C)屏敝保护起来，减少碳
‑
碳键(C
‑
C)被破坏的可能，但同时氟原子半径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制枝晶的锂离子电池电解液，包括有机溶剂和锂盐，其特征在于：还包括有复合表面活性剂和成膜添加剂；所述复合表面活性剂包括碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂；所述碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂的质量比为1:0.8～1.2。2.根据权利要求1所述的抑制枝晶的锂离子电池电解液，其特征在于：所述碳氟表面活性剂选自全氟己基乙基丙基醚、全氟甲基乙烯基醚、全氟壬烯氧基苯磺酸钠、改性全氟己基苯磺酸钠中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的抑制枝晶的锂离子电池电解液，其特征在于：所述改性全氟己基苯磺酸钠由全氟己基苯磺酸钠与环氧丙烷、环氧乙烷开环聚合反应后得到。4.根据权利要求1所述的抑制枝晶的锂离子电池电解液，其特征在于：所述碳氢表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、二辛基琥珀酸磺酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔东波，邵俊华，施艳霞，王亚洲，宋东亮，韩飞，李渠成，司雅楠，张利娟，李海杰，龚国斌，郭飞，闫志卫，王郝为，闫国锋，
申请(专利权)人：河南省法恩莱特新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：