[发明专利]锂离子电池及其电解液

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，更具体地说，本发明涉及一种可防止过充的锂离子电池及其电解液。

背景技术

电解液是锂离子电池最重要的组成要素之一，其好坏直接影响到电池性能，设计和开发具有有效防过充机制的添加剂是提高电池安全性能的既有效又经济的途径。目前，锂离子电池常用的电解液添加剂有电聚合和氧化还原梭两类添加剂。电聚合添加剂主要有联苯、3-氯甲氧基苯和环己苯等苯的衍生物及某些杂环化合物，此类添加剂的聚合电势较高(4.2～5.5V)，可为电池提供过充保护。但是，在电芯材料活性物质和电位催化下，电聚合添加剂在正常循环时会发生微量不可逆电化学聚合反应，以致影响电池的正常充放电的容量和循环性能，所以实用性受到限制。氧化还原梭添加剂主要有金属茂化合物、聚吡啶络合物、噻蒽及其衍生物、茴香苯及其衍生物、茴香醚及其衍生物以及三烷基芳基硅烷和聚三苯胺等，其中：金属茂化合物和聚吡啶络合物等添加剂由于存在扩散速度慢和发生副反应等原因，使得锂离子电池的防过充性能不够理想；其它的氧化还原梭添加剂的氧化电势都较低，未能达到锂电池正常工作电压就会发生氧化还原反应，因此在锂离子电池中的应用也受到限制。

四硫富瓦烯及其衍生物是一种稳定、可逆的两电子给体，可以依次氧化成为自由基阳离子和双阳离子，形成热力学稳定和具芳香性的1,3-二硫属阳离子，因此有人将四硫富瓦烯及其衍生物用于电化学元件中作为修饰电极的活性物质。活性物质进行氧化还原反应时结构不发生大的变化，是由于活性物质具有结构对称性和平面结构，在分子上形成π电子共轭电子云，可以授受电子。在氧化反应(充电反应)中，活性物质被氧化，电解质中的阴离子与被氧化的分子配位，在其后的还原反应(放电反应)时，与活性物质配位的阴离子脱离。因此可以保持结构不被破坏，从而得到优良的充放电循环性能。还有人将含有四硫富瓦烯骨架的聚合物作为吸贮及放出阴离子的电极活性物质。然而，这些吸贮或放出阴离子的氧化还原过程发生在3V～4.3V之间，这是高电压锂离子电池的正常工作电压。如果将其用作过充氧化还原梭，这样的电压范围(3V～4.3V)明显不能满足。

有鉴于此，确有必要提供一种能够防止过充的锂离子电池电解液添加剂。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够防止过充的锂离子电池电解液添加剂，以有效提高锂离子电池的安全性能。

为了实现上述发明目的，发明人经过潜心研究，发现将二硫二氮杂富瓦烯衍生物加入锂离子电池电解液中，能明显提高电解液的耐过充性能。据此，本发明提供了一种锂离子电池电解液，其包括锂盐、非水溶剂和添加剂，所述添加剂包括二硫二氮杂富瓦烯衍生物。

与现有技术相比，本发明锂离子电池通过向电解液加入二硫二氮杂富瓦烯衍生物添加剂，明显提高了电解液的耐过充性能，这是由于二硫二氮杂富瓦烯衍生物是优良的π电子供体，可以依次氧化成为自由基阳离子和双阳离子，氧化还原电子转移机理如下：

添加剂在正极附近被氧化形成自由基阳离子或是双阳离子，通过隔离膜扩散到负极再被还原为中性分子，之后中性分子再扩散到正极被氧化，这个过程一直持续到电池过充电结束，并建立起一个可逆的氧化还原平衡过程，在整个过程中，没有气体产生，氧化产物和还原产物往复反应消耗掉电解液中过剩的带电离子和基团，最终以放热的方式散发，从而起到氧化还原梭的作用，因此不会引起气胀，而且对电池容量和循环性能几乎没有影响。另一方面，二硫二氮杂富瓦烯衍生物上的不同吸电子取代基能够对氧化电位起到细致的调节作用，可以满足不同电压防过充要求的需要。

二硫二氮杂富瓦烯衍生物结构与四硫富瓦烯不同，杂原子的不同使二者发生电子转移的位置也不相同，虽然都是两电子转移过程，但是由于N原子的电负性大于S原子，理论上S原子应该更容易失去电子带正电荷，然而在二硫二氮杂富瓦烯衍生物结构中却是N原子失去电子形成季铵盐，这样比较而言，难于失去电子的N原子却失去电子，会使得化合物的抗氧化性增强。