[发明专利]锂离子电池及其电解液

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池，尤其是一种能够有效提高电池循环和存储性能的锂离子电池电解液。

背景技术

锂离子电池具有比能量高、工作电压高、应用范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染、安全性能好等独特的优势，因此已作为新能源应用在多个领域中。

有机电解液是锂离子电池的重要组成部分，对电池的工作温度、比容量、循环效率、安全性等主要性能有着重要的影响。在电解液的生产、储存过程中，往往会由于干燥环境劣化、储存设备密封性差或是使用的溶剂、锂盐中水分和游离酸偏高等多种原因而导致电解液中水分、游离酸偏高，以致影响电池的性能：若电解液中含有较多水分，水分子在高电压充放电下分解，会造成电池性能劣化；游离酸过高，如氢氟酸会与锂离子形成LiF，导致充放电过程中负极界面形成阻隔，电池内阻增大，SEI膜被破坏，从而影响到负极材料锂离子的正常嵌入和脱嵌，引起容量的衰减。如果能够稳定游离的质子，使之失去反应活性，就能提高电池的稳定性和循环寿命，因此研究开发能够消除电解液中的含质子杂质(包括H₂O和HF等)的功能添加剂，以在不增加成本的情况下有效提高电池的循环和存储性能，成为了目前锂离子电池研究的一大热点。

在现有技术中，有些文献和专利提出将乙醇胺、六甲基二硅胺烷等胺类化合物或是硫氰酸酯、异硫氰酸酯类作为添加剂加入电解液中，因为这些化合物不仅具有良好的除水、除酸效果，还能有效地消除电解液调制后长期储存的变色现象，从而可以提高电解液的储存稳定性和热稳定性。但是，乙醇胺、硫氰酸酯和异硫氰酸酯类化合物不仅可燃、有毒，而且具有强刺激性、容易氧化，因此并不适宜在锂离子电池电解液的工业生产中应用。

有鉴于此，确有必要提供一种能够有效地提高电池的循环和存储性能的锂离子电池电解液。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够有效提高电池循环和存储性能的锂离子电池电解液，以及使用上述电解液的锂离子电池。

为了实现上述发明目的，发明人经潜心研究发现：现有技术中所使用的胺类或是硫氰酸酯类添加剂之所以能够除水除酸，主要是因为其官能团胺基或-N=C=S基团中大多含有电负性大、含孤电子对并带有部分负电荷的原子(N、O、S)，由于这些原子很容易和HF和H₂O形成稳定氢键，如：N…H–F(O)、F(O)…H–N、S(O)…H–F或F(O)…H–C等，因此化合物才能在电解液中发挥稳定剂的作用。另外，发明人在多年研发中还发现，含有多个氢键结合点的全氟烷基酰基三聚氰胺衍生物不仅低毒、廉价，而且也具备优异的化学稳定性、热稳定性、阻燃性和低的表面张力，尤其全氟烷基酰基三聚氰胺衍生物结构中引入了多个电负性很强的氟、氮和氧原子，特别是氟原子，它和HF、H₂O所形成F…H–F(O)氢键，相当稳定，这些性质对于全氟烷基酰基三聚氰胺衍生物作为锂离子电池电解液的添加剂非常有利。

基于上述发现，本发明提供一种锂离子电池电解液，其含有锂盐﹑非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂包括全氟烷基酰基三聚氰胺衍生物，其结构通式(I)如下：

通式(I)中：x、y、z=0、1或2，且x+a=2、y+b=2、z+c=2，但x、y、z不同时等于2，其中R_f为通式(II)所示的全氟烷基酰基取代基，n=0～8中的整数。

由于三聚氰胺衍生物的结构中含有多个氢键结合点，既可以和H₂O形成N…H–O、F…H–O、O…H–O和C…H–O等稳定的氢键，又可以和HF形成N…H–F、F…H–F、O…H–F和C…H–F氢键。大量氢键的存在会抑制LiPF₆与H₂O的反应，从而使电解液中HF的含量减少，实现提高锂离子电池电解液的储存稳定性及热稳定性的目的。

虽然三聚氰胺衍生物的物理和化学性质相似，但是由于衍生物中胺基上全氟烷基酰基取代基个数的多少，也就是单取代或双取代的不同，对于结构中氢键的形成会产生不同的影响，另外全氟烷基酰基取代基中烷基链的长短也会影响衍生物的溶解性、粘度、电导率以及氢键的形成等，因此从作为锂离子电池电解液的添加剂的角度考虑，需要低粘度、低表面张力、高电导率、与有机溶剂有良好相容性、高热稳定性和化学稳定性的化合物，因此作为本发明锂离子电池电解液的一种改进，所述通式(I)中的x、y、z优选为同时为0或同时为1，n则优选为0～8的整数。