[发明专利]一种锂离子电池电解液及含该电解液的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种锂离子电池电解液及含该电解液的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四部分组成，其中，电解液是在电池正、负极之间起传导作用的离子导体，一般由电解质锂盐和有机溶剂两部分组成。在商品化锂离子电池中应用广泛的电解质锂盐一般为LIPF₆，有机溶剂一般有两种或两种以上的有机溶剂混合而成，主要为乙烯碳酸酯碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等链状和环状碳酸酯。

电解液的性能很大程度上影响电池的性能，而影响电解液优劣性能的因素主要有两个方面：电解液的组成和电解液中杂质的含量。其中，电解液中所含HF对电解液的稳定性和电池性能都有着巨大的影响。

HF对电解液自身稳定性的影响主要表现在两方面：催化锂盐如LiPF₆的水解，从而加速电解液的变质；催化有机溶剂的聚合，从而导致电解液黏度增加，电导率降低。

HF对电池性能的影响主要表现在三个方面：

首先，HF在电池首次充放电过程中，在碳负极上发生如下电化学还原反应：

HF+e^-+Li⁺→LiF↓+1/2H₂

上述反应不仅会消耗电池中有限的锂离子，增加电池内压，而且生成的LiF导电能力较差，碳负极表面固体电解质界面（SEI）膜组分中LiF含量增多，导致电极/电解液界面阻抗增大，从而增大电池内阻。

其次，HF会与电解表面的SEI膜发生反应，生成水或醇等。Aurbach等认为在EC基的电解液中，HF和SEI膜主要发生如下反应：

Li₂CO₃+2HF→2LiF+H₂O+CO₂

上述反应中生成的LiF同样会导致电极/电解液界面阻抗增大，此外，反应中生成的水和乙二醇又会和LiPF₆反应生成HF，该过程不断循环，导致电池比容量、循环效率不断减小，直至整个电池被破坏。

最后，HF会和正极活性材料如LiMn₂O₄发生反应，引起部分锰的溶解，这是引起LiMn₂O₄容量衰减的主要原因之一，反应原理如下：

LiMn₂O₄+H⁺→Li⁺+λ-MnO₂+Mn²⁺+2H₂O

针对HF对电解液和电池性能的影响，现有技术中采用锌、铝、镁、钙的氧化物中的一种或几种的混合物或镁或铝作为添加剂加入到电解液中，它们与电解液中微量的HF发生反应，降低HF的含量，阻止其对电极的破坏和对锂盐如LiPF₆分解的催化作用，提高电解液的稳定性，改善电池性能。

但是上述除HF的方法速度缓慢，并且用金属或金属氧化物处理电解液容易引入金属杂质。

此外，现有技术中还可以采用六甲基二硅氮烷（化学式为(CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃）作为添加剂加入至电解液中，其作用机理为：

(CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃+H₂O→(CH₃)₃SiOSi(CH₃)₃+NH₃

NH₃+HF→NH₄F

六甲基二硅氮烷与水反应生成NH₃，然后NH₃又与HF反应生成NH₄F，进而降低电解液中HF的含量，提高锂离子电池的循环性能。然而，该方法中，六甲基二硅氧烷本身不稳定，在空气中易分解，不易保存；并且NH₃与HF反应生成的NH₄F不稳定，尤其在高温下容易分解，难以起到提高锂离子电池高温性能的目的。

发明内容