[发明专利]非水电解液添加剂、非水电解液及锂离子电池

说明书

本发明提供一种新型环磷酸酯添加剂、包含其的非水电解液及锂离子电池。所述添加剂为式(I)所示化合物，其中，X为C或S，R为C_1‑4烷基或C_1‑4烷氧基。包含式(I)所示化合物作为添加剂的非水电解液能够提高电池的高压性能，尤其适用于三元材料为正极、硅碳材料为负极的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及新型环磷酸酯添加剂、包含其的非水电极液及锂离子电池，尤其是以三元材料为正极、硅碳材料为负极的锂离子电池。

背景技术

目前智能手机、平板电脑等电子数码产品对电池的能量密度要求越来越高，使得商用锂离子电池难以满足要求。提升电池的能量密度可以通过以下两种方式：1.选择高容量和高压实正负极材料；2.提高电池的工作电压。

然而在高电压电池中，在正极材料充电电压提高的同时，电解液的氧化分解现象会加剧，从而导致电池性能的劣化。另外，高电压电池在使用过程中普遍存在正极金属离子溶出的现象，特别是电池在经过长时间的高温存储后，正极金属离子的溶出进一步加剧，导致电池的保持容量偏低。造成这些问题的因素主要有：(1)电解液的氧化分解。在高电压下，正极活性材料的氧化活性较高，使得其与电解液之间的反应性增加，加上在高温下，高电压正极和电解液之间的反应进一步加剧，导致电解液的氧化分解产物不断在正极表面沉积，劣化了正极表面特性，导致电池的内阻和厚度不断增长；(2)正极活性物质的金属离子溶出与还原，一方面，在高温下，电解液中的LiPF₆极容易分解，产生HF和PF₅。其中HF会腐蚀正极，导致金属离子的溶出，从而破坏正极材料结构，导致容量流失；另一方面，在高电压下，电解液容易在正极被氧化，导致正极活性物质的金属离子容易被还原而溶出到电解液中，从而破坏正极材料结构，导致容量损失。同时，溶出到电解液的金属离子，容易穿过SEI到达负极获得电子而被还原成金属单质，从而破坏了SEI的结构，导致负极阻抗不断增大，电池自放电加剧，不可逆容量增大，性能恶化。

另一方面，目前商业化的锂离子电池主要是以石墨为负极材料，但石墨的最大理论比容量仅有372mAh/g，与钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元等正极材料配合，电池的能量密度提升有限，要追求更高能量密度则需要容量更高的正负极材料体系。纯硅基负极理论克容量可达4200mAh/g，但硅负极材料在脱嵌锂过程中不断的收缩膨胀造成颗粒的破碎，导致循环过程容量不断下降，并且伴随着300％以上的体积膨胀效应。同时，硅负极上不稳定的SEI膜在循环过程中逐渐增厚，极化增大，且造成较大的机械应力，使电极结构进一步破坏。

为解决上述问题，将硅碳复合形成硅碳负极材料，在提高材料比容量的同时，也可在一定程度上降低硅基负极材料的体积效应。因此，开发与之相匹配的电解液是产业化发展的必然需求。对于硅碳负极材料电解液的开发目前主要集中在解决电池循环过程中的体积膨胀和循环稳定性问题。常规电解液体系在硅碳负极表面形成的SEI膜不稳定，很容易由于充放电过程中的体积效应问题而发生SEI破损与脱落，导致电池容量迅速衰减。

CN105375066A公开了一种适用于硅碳负极锂离子电池电解液及硅碳负极锂离子电池，其中锂离子电池电解液由非水性有机溶剂、锂盐及添加剂组成，添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、三(三甲基硅烷)硼酸酯和硫酸酯化合物。该发明的硅碳负极锂离子电池具有较好的常温和低温循环性能，但是其高温性能有待提高。CN109546218A公开了一种通过磷酸酯/亚磷酸酯类化合物、FEC、DTD组合的协同作用改善了三元/硅碳电池循环性能的方法，但在高压下电池性能改善不明显。

因此，有必要开发一种能够能提高三元(NCM)/硅碳(SiC)锂电池高电压下电化学性能的电解液。

发明内容