[发明专利]一种全天候锂离子电池电解液、电池、充放电方法

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种全天候锂离子电池电解液、电池、充放电方法。该电解液包括锂盐电解质、有机溶剂和添加剂，所述有机溶剂为亚硫酸乙烯酯和氟代碳酸乙烯酯混合溶液。本发明所提供的电解液具有良好的界面兼容性、可以在‑50℃～+70℃的温度范围内稳定工作，能够适配镍钴锰三元正极、钴酸锂正极、石墨负极和锂金属负极。发明采用溶剂复配方法，制作工艺简单，过程高度可控，易放大生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种全天候宽温域锂离子电池电解液及锂离子电池应用。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、可反复充放电等特征作为重要的动力和储能设备被广泛应用在现代生活的各个方面。我国疆域幅员辽阔，不同区域呈现出高原、极寒、酷热等差异较大的环境特征。需要宽温域锂离子电池作为恶劣环境条件下风光发电、新能源并网消纳化学储能电池的有力补充，牵引相关基础性、原创性、颠覆性技术研究，解决在高原、海岛、边疆、无人区等“高海边无”场景的储能和动力电池难题，以及地下石油勘探等应用场景高温电池长期依赖进口的现实问题。例如，风光发电储能在高原、极寒、北方冬季环境下需要具备满足低气压、地表-50℃～+70℃的宽温域、全天候适应性的化学电源。然而，当前锂离子电池的全天候性能仍无法满足电动汽车等设备的需求，电池“遇冷则弱、遇热则危”，在低温环境下，电池性能急剧下降；而高温条件下电极与电解液界面不稳定，导致产气、热失控，造成安全事故。作为电池的“血液”，电解液承担着在正、负极之间传导离子的重要作用。它不仅影响电池的循环性能和安全性能，而且对电池在宽温域下的性能具有决定性的作用。电解液一般由锂盐和有机溶剂组成。由于商业碳酸酯电解液中碳酸乙烯酯的凝固点较高，在低温下离子传输效率受限。因此，使用碳酸酯电解液的锂离子电池在低温环境下存在放电电压平台下降、放电容量低、容量衰减快、倍率性能差等问题。同时，六氟磷酸锂在高温环境中副反应加重，严重影响电池的循环寿命。

为满足宽温域（-50~70℃）电解液的开发，所选用的电解液溶剂应同时具有较低的凝固点和较高的沸点。结合锂金属电池结构，电解液还需要具有较高锂金属兼容性。而上述性能在单一的溶剂中难以实现。这是由于低温下为避免锂盐析出，一般选用具有较高介电常数的溶剂。而介电常数高的溶剂往往分子极性和分子间作用力较大，故而溶液凝固点也较高。由于选用高沸点溶剂是确保锂金属电池在高温下正常运行的前提，改善高沸点溶剂分子的低温性能是开发宽温域锂金属电池的必经之路。

改善高沸点溶剂低温性能的首要前提是避免电解液凝固。目前主流抑制电解液凝固的方法有：（1）采用凝固点较低的溶剂。例如：中国科学院金属研究所的李峰教授报道，使用凝固点较低的双氟代碳酸乙烯酯代替碳酸乙烯酯能够有效提高电解液的低温性能。但该方案存在低温拓宽不明显的问题；（2）添加非极性共溶剂，降低极性溶剂之间的相互作用。例如：美国马里兰大学王春生教授报道使用低介电常数的氟醚能有效减弱极性溶剂间的相互作用，拓宽电解液液相温度范围。然而，该方案中所使用的氟醚存在成本较高的问题。上述策略有效拓宽了电解液的低温使用范围，但是在兼具高温和低温适用性方面依然存在挑战，限制了锂离子电池在全天候条件下的应用，难以满足市场对锂离子电池需求。因此开发应用于全天候的锂离子电池电解液具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种全天候锂金属电池电解液，用于解决电解液在低温下凝固和离子传输缓慢以及高温下副反应严重等问题，实现全天候可稳定运行的锂离子电池技术。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：