[发明专利]一种高性能电解液及其在二次电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能电解液及其在二次电池中的应用，属于新能源材料技术领域，具体涉及在车用电池和储能电池中的综合应用。

背景技术

随着新能源产业将成为战略性新兴产业的共识在全球范围的确立，加上一系列促进新能源发展政策的出台，中国新能源汽车的开发也引来了空前的热潮，但是目前国内动力电池无论是在使用温度范围、高倍率放电性能、安全性还是可靠性方面均还没有达到理想水平，同时在储能电池中也很难满足实际需要。作为动力电池的关键材料——电解液需要进行技术改进。

目前,使用最广泛的电解液是由六氟磷酸锂电解质、碳酸酯类溶剂、其他添加剂三部分组成。众所周知，六氟磷酸锂极其不稳定，在遇热或遇水条件下很容易分解产生氢氟酸（HF），极大破坏了电池负极表面形成的SEI膜，损害了电池性能；由于PF₆^–阴离子对称性高，其锂盐LiPF₆晶格能大，熔点高，且常规溶剂体系，如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯在低温下粘度急剧上升，六氟磷酸锂易析出，锂离子在电解液中移动困难，从而也造成电池性能下降，所以使用六氟磷酸锂的电解液在温度使用范围受局限很大。

目前使用的电解液对材料选择性比较大，比如锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料就需要选择适合各自的电解液配方，电解液的综合性能也难以提升。

综上所述，采用LiPF₆为导电盐的二次锂电池高低温性能很难满足实际需要。当温度高于50℃时，LiPF₆会加速分解产生氟化氢（HF），同时作为主要溶剂的碳酸二甲酯会造成电池鼓胀，锂电池性能下降严重；当环境温度低至-20℃，甚至更低时，LiPF₆作为导电盐的电解液会发生晶析或固化，碳酸酯类溶剂也会固化，黏度增加，电导率几乎为0，电解质与电极的界面阻抗大大增加，电池无法释放其容量，导致电池性能急剧下降，甚至导致电池不能工作，从而限制了二次锂电池在极端温度条件下的应用。

在使用非水电解质的二次电池与超级电容器中，为了提高电池性能，通常添加各类锂盐电解质添加剂，如LiBF₄、LiBOB、LiDFOB、LiTFSI、LiFSI等等，这些电解质添加剂各自有其局限性，而且成本过高，从而限制了这些电解质添加剂的使用。

为了提高安全性，通常还添加各类阻燃剂，如磷酸酯等。由于现有的大多数锂盐在这些低介电常数的添加剂中的溶解度较低，一般磷酸酯作为添加剂添加在非水有机溶剂中，特别是包含环状碳酸酯与链状碳酸酯并存的有机溶剂中。在电池实际应用时，作为添加剂的阻燃剂的存在可以在一定程度上提高电池的安全性，但由于易燃、易挥发的有机溶剂的存在，阻燃的效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高性能电解液。这种电解液除了常规的电解质锂盐和溶剂体系，采用了新型电解质添加剂双氟磺酰亚胺钾（KFSI）、双氟磺酰亚胺钠（NaFSI）、双（三氟甲磺酰）亚胺钾（KTFSI）等作为添加剂，能够很大程度上提高电解液和锂二次电池的综合性能。

本发明采用了非锂碱金属盐，如氟磺酰亚胺钾或钠盐等，摒弃了人们的常规思维——认为钾、钠之类元素的存在会损害电池性能，事实却证明了这种非锂类电解质在二次电池中表现出了更优越的性能，体现在高低温性能、容量保持、电池内阻等方面，同时其价格优势更加明显。而且采用了羧酸酯类低熔点高沸点高闪点的溶剂，电解液和电池安全效果更加理想。

本发明发现，这种新型电解质添加剂能够有助于导电锂盐在更宽的温度范围内使用。同时羧酸酯类溶剂具有以下三项特点：较低的熔点，不易结晶固化；较高的沸点，不易挥发；较高的闪点，不易燃。本发明中的高性能电解液，在-40～60℃的温度范围内，能实现高的离子电导率和锂离子迁移数，正是采用了此类电解质添加剂、以及低熔点高沸点高闪点的羧酸酯类溶剂，在低温下不结晶且具有较高的离子电导率、高温下不分解不易挥发不气胀、不易燃等特点，特别适合二次电池在宽温度范围内使用，同时也具有高度的安全性优点，可以满足当前动力锂二次电池的安全性。

本发明的另一个目的是提供一种高性能电解液及其在二次电池中的应用，该种锂电池，它除了含有锂盐和碳酸酯类有机溶剂外，还包括双氟磺酰亚胺钾、双（三氟甲磺酰）亚胺钾、或者其钠盐作为电解质添加剂，羧酸酯作为溶剂的非水电解液。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

作为本发明的第一方面，一种高性能电解液，其特征在于，按照重量百分比计，包括以下成分：