[发明专利]锂离子二次电池及其电解液

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池，尤其是一种具有较高电导率和较低粘度的非水型锂离子二次电池电解液。

背景技术

锂离子二次电池由于具有高电压、高能量密度等优点，已成为应用范围最广的二次电池之一。但是，随着便携式电子设备向微型化、长待机方向的不断发展，以及电动自行车、电动汽车等大功率、高能量设备的启用，作为电源的锂离子二次电池，其低温充放电性能、功率密度和能量密度的提升需求也越来越紧迫。

电解液作为锂离子二次电池的重要组成部分，在正负极间起着传输锂离子和传导电流的作用，电解液本身的特性对于电池的功率充放电特性、低温性能等具有关键的作用。在电池快速充放电过程中，锂离子在电解液中迁移速率的限制会使电解液中锂离子分布不均匀，从而造成浓差极化的产生，导致电池电压快速下降，并严重影响电池容量的发挥。因此，通过提高电解液的电导率、降低其粘度，可以有效提高锂离子的传输速率，减小浓差极化，有效提高电池的大功率充放电性能。

在低温条件下，一方面锂离子的迁移速率有所下降，另一方面电解液本身的粘度会大大提高，这都会进一步阻碍电池充放电过程中锂离子的传输速率，大大增加电池在低温充放电过程中的极化，而造成电池低温充电时锂枝晶的析出和低温放电容量保持率低。低温充电锂枝晶的析出不仅会造成电池容量的大幅下降、循环寿命的缩短，而且易造成电池内部短路的发生，严重影响了电池的安全特性。因此，高电导率、低粘度的电解液对于电池的低温充放电特性的改善具有明显的效果。

在电解液中引入具有低粘度和适中介电常数的新型溶剂、优化溶剂的配比，是开发具有高电导率、低粘度电解液的快速有效途径。目前，锂离子二次电池电解液的常用溶剂为碳酸酯类溶剂，主要包括环状碳酸酯和线性碳酸酯两类，其中：环状碳酸酯主要有碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)，该类溶剂具有大的介电常数和高粘度，尤其是EC具有最高的介电常数和与石墨良好的兼容性，在锂离子二次电池中获得了较广泛的应用；线性碳酸酯主要有碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯(EMC)，该类溶剂具有较小的粘度和较低的介电常数。高介电常数和低粘度溶剂是制备高电导率电解液的必备条件，由于单纯使用环状碳酸酯或线性碳酸酯作为溶剂均无法满足高电导率电解液的要求，因此目前商用化的锂离子二次电池中一般采用这两类碳酸酯的混合溶剂，一般能得到电导率值为6~7mS/cm的电解液，但这并不能充分满足锂离子二次电池对电解液电导率的要求，尤其是电池的低温充放电特性较差。

有鉴于此，确有必要提供一种具有较高电导率和较低粘度的锂离子二次电池电解液。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有较高电导率和较低粘度的非水型锂离子二次电池电解液，并提供使用上述电解液的锂离子二次电池，以提高电池的能量密度和功率密度，保证其具有优良的低温充放电性能和循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本申请的发明人经过潜心研究发现：相比于线性碳酸酯，线性羧酸酯具有更低的粘度和相对更高的介电常数，例如，碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯以及乙酸乙酯在25℃下的粘度和介电常数分别为0.59/3.107、0.75/2.805、0.65/2.958和0.45/6.02；而环状碳酸酯中的碳酸乙烯酯具有最高的介电常数(89.78，25℃)和与石墨良好的兼容性，因此采用线性羧酸酯和碳酸乙烯酯作为电解液的溶剂，能够兼顾高介电常数和低粘度两个方面，从而制得相比现有溶剂体系更高电导率和更低粘度的电解液，可以兼顾溶剂与石墨的兼容性。此外，线性羧酸酯还具有比线性碳酸酯更低的凝固点和相近的沸点，能够保证电解液具有较宽的工作温度范围，而线性羧酸酯在低温条件下的低粘度特性也可以大大提高电解液的低温电导率，保证电池具有良好的低温充放电特性。

但是，以线性羧酸酯和碳酸乙烯酯作为电解液溶剂的电池，容易在循环过程中造成电池鼓气和阳极黑斑的出现，这种现象在高温情况下尤为严重，以致大大缩短了电池的循环寿命。经研究发现，其原因主要是由于线性羧酸酯存在下形成的SEI膜稳定性较差，而且在有机溶剂中具有一定的可溶性，因而SEI膜会在循环过程中持续分解和生成，造成电池中有限锂的消耗和气体的产生，使电池出现大幅容量衰减和鼓气。