本发明涉及电池,特别是涉及一种电解液添加剂、非水电解液、锂离子电池、电池模块、电池包和用电装置。
背景技术:
1、锂离子电池自从商业化以来,由于它的能量密度高、功率密度大、循环寿命长和绿色环保等优点,被广泛用于动力电池领域。同时,由于终端设备应用环境的多变,因此,消费者对锂离子电池的性能提出了越来越高的要求,例如:循环寿命长和在高低温条件下正常使用。
2、通过研究发现,锂离子电池中电解液对锂离子电池性能的影响非常巨大,在电解液中加入少量的电解液添加剂,在电极表面形成稳定的保护膜,是改善电极稳定性,实现高稳定、高比能锂离子电池最为经济有效的策略。目前,已报道多种添加剂,对正极或负极表面保护膜进行调控,保护电极的同时,避免电解质的氧化还原分解。
3、如中国专利cn109546217a公开了一种适配高容量石墨负极的电解液和锂离子电池,通过采用乙烯基碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯衍生物和环状硫酸酯类化合物三类添加剂混合使用,其中乙烯基碳酸乙烯酯、碳酸乙烯酯衍生物共同在高容量石墨负极表面形成高强度、高韧性sei膜,有效的减小电解液在反复充放电过程中消耗,显著的提高锂离子电池的循环寿命。但电解液配方中使用了过多的碳酸乙烯酯结构,会导致电解液粘度增大,阻抗增加,同时低温性能较差。
4、如中国专利cn116435601b公开了一种电解液及其应用,采用含环状硫酸酯的电解液,将该电解液用于电化学装置中,有助于在负极表面形成高质量的sei膜,在正极表面形成高质量的cei膜,从而改善电化学装置在高电压下的循环稳定性(高温循环性能、低温放电性能以及室温循环性能)。但该专利所述环状硫酸酯类添加剂,在制备方面存在原料难以购买等困难;其次该电解液对循环性能的改善效果一般。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种电解液添加剂、非水电解液、锂离子电池、电池模块、电池包和用电装置,本发明电解液添加剂能优先在正负极表面形成固态电解质界面,有效抑制电解液在极片表面发生的副反应,降低界面阻抗;该电解液添加剂能与电解液中其他主要成分产生协同作用,能进一步的改善锂离子电池的高低温性能和循环性能。
2、为实现上述目的及其他相关目的,本发明的第一方面提供一种电解液添加剂,所述电解液添加剂包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂选自具有式ⅰ所示结构的化合物,所述第二添加剂选自具有式ⅱ所示结构的化合物,
3、;
4、其中,r1、r2、r3、r4各自独立的选自氢、羰基、取代或未取代的c1~c10直链或支链烷基、取代或未取代的c2~c10烯基、取代或未取代的c2~c10炔基、取代或未取代的c1~c10烷氧基中的任意一种;或r3、r4键合形成桥环;a选自o、s、so和so2。
5、本发明的第二方面提供一种非水电解液,包括锂盐、非水有机溶剂以及功能性添加剂,所述功能性添加剂包括本发明第一方面所述的电解液添加剂。
6、本发明的第三方面提供一种锂离子电池,包括正极、负极、间隔设置于正极和负极之间的隔离膜、以及本发明第二方面的非水电解液。
7、本发明的第四方面提供一种电池模块,包括本发明第三方面所述的锂离子电池。
8、本发明的第五方面提供一种电池包,包括本发明第四方面所述的电池模块。
9、本发明的第六方面提供一种用电装置,包括本发明第三方面所述的锂离子电池,所述锂离子电池用作所述用电装置的电源。
10、相对于现有技术,本发明的有益效果为:
11、(1)本发明所采用的第一添加剂,其具有较低lumo能级,能优先在负极表面形成稳定均匀的固态电解质界面(sei膜),能有效抑制电解液在极片表面发生的副反应,有利于锂离子的脱嵌,减少锂沉积,降低阻抗。其中环状硫酸酯结构可以在负极侧发生电化学反应形成含硫酸锂盐的导电界面,是有效的sei膜成分;环状醚结构可在负极分解形成类似peo的聚合结构,有利于锂离子的快速传输,从而降低阻抗;
12、(2)本发明所采用的第二添加剂,在保留碳酸乙烯酯增加锂盐解离度、提高电导率作用的基础上,通过引入噻吩基团,能优先在正极表面聚合形成稳定的固态电解质界面(cei膜),其中噻吩基团具有强吸电子作用,可显著降低正极界面阻抗,有利于锂离子的迁移,形成的cei膜能有效抑制电解液在极片表面发生的副反应,抑制过渡金属离子溶出,提高正极界面稳定性;同时其也能在负极形成固态电解质界面,对第一添加剂所形成的界面进行修饰;
13、(3)本发明所采用的第一添加剂和第二添加剂组合使用时,能互相弥补各自成膜时的不足,第一添加剂重点针对负极形成sei膜,而第二添加剂重点针对正极形成cei膜,两种电解液添加剂组合使用,能同时兼顾正负极,在正负极表面形成稳定的固态电解质界面,有效抑制电解液在极片表面发生的副反应;
14、(4)本发明所采用的其他功能性添加剂,如双氟磺酰亚胺锂具有较高的离子电导率,热稳定性好,对低温性能有所改善;碳酸亚乙烯酯具有良好的热稳定性与有效抑制循环产气的作用;3-氟-1,3-丙烷磺酸内酯能更好的改善高温循环性能;1,3-双(3-氟-1-炔丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷可以吸收电解液中水分和游离酸,抑制锂盐持续分解,并能在正极表面稳定聚合,抑制过渡金属溶出等;
15、(5)本发明所采用的第一添加剂和第二添加剂可以与电解液中的其他主要成分产生协同作用,第一添加剂和第二添加剂能优先在正负极表面形成固态电解质界面且能降低其他功能性添加剂的还原电位,抑制其他功能性添加剂的反应,起到保护其他功能性添加剂和溶剂的作用;进一步改善锂离子电池的高低温性能和循环性能。
1.一种电解液添加剂,其特征在于,所述电解液添加剂包括第一添加剂和第二添加剂,所述第一添加剂选自具有式ⅰ所示结构的化合物,所述第二添加剂选自具有式ⅱ所示结构的化合物,
2.根据权利要求1所述的电解液添加剂,其特征在于,r1、r2、r3、r4各自独立的选自氢、羰基、取代或未取代的c1~c4直链或支链烷基、取代或未取代的c2~c4烯基、取代或未取代的c2~c4炔基、取代或未取代的c1~c4烷氧基中的任意一种;或r3、r4键合形成桥环;a选自o、s、so和so2。
3.根据权利要求1所述的电解液添加剂,其特征在于,r1、r2、r3、r4各自独立的选自氢、羰基、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、仲丁基、甲氧基取代的甲基、乙烯基、丙烯基、乙炔基、丙炔基、甲氧基、乙氧基中的任意一种;或r3、r4键合形成桥环;a选自o、s、so和so2。
4.根据权利要求1~3任一项所述的电解液添加剂,其特征在于,所述式ⅰ所示结构的化合物选自如下结构的任一个或多个:
5.根据权利要求1所述的电解液添加剂,其特征在于,所述式ⅱ所示结构的化合物选自如下结构的任一个或多个:
6.一种非水电解液,其特征在于,包括锂盐、非水有机溶剂以及功能性添加剂,所述功能性添加剂包括如权利要求1~5任一项所述的电解液添加剂。
7.根据权利要求6所述的非水电解液,其特征在于,所述第一添加剂在所述非水电解液中的质量占比为0.5%~3%;
8.根据权利要求7所述的非水电解液,其特征在于,所述其他功能性添加剂选自双氟磺酰亚胺锂、碳酸亚乙烯酯、3-氟-1,3-丙烷磺酸内酯、甲磺酸-2-丙炔醇和1,3-双(3-氟-1-炔丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷中的一种或多种的组合;
9.一种锂离子电池,其特征在于,包括正极、负极、间隔设置于正极和负极之间的隔离膜、以及非水电解液,其特征在于,所述非水电解液为权利要求6~8任一项所述的非水电解液。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池,其特征在于,所述负极包括负极活性材料,所述负极活性材料选自硅碳、硅氧、天然石墨、人造石墨、钛酸锂、无定型碳和锂金属中的一种或多种的组合;
11.一种电池模块,其特征在于,包括根据权利要求9或10所述的锂离子电池。
12.一种电池包,其特征在于,包括根据权利要求11所述的电池模块。
13.一种用电装置,其特征在于,包括根据权利要求9或10所述的锂离子电池,所述锂离子电池用作所述装置的电源,所述用电装置包括移动设备、电动车辆、电气列车、卫星、船舶及储能系统。
