[发明专利]锂离子电池电解液及其添加剂

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种能够改善锂离子电池低温循环性能的电解液及其添加剂。

背景技术

随着锂离子电池在便携式电器领域应用的迅速发展，锂离子电池技术正朝着特殊领域如军用和航空领域发展，目前锂离子电池的主要应用问题是低温性能无法满足要求，其在低温下的输出性能下降，主要表现在有效容量的下降和放电电压平台下降。

电解液作为在电池内起传导作用的离子导体，其性能及其与正负极形成的界面状况很大程度上影响电池的温度性能。锂离子电池在低温条件下，电解液粘度增大，电导率降低，导致充放电容量非常低甚至出现析理等现象，进而引起产品不能正常使用甚至爆炸。经研究，电解液的溶剂和添加剂对电芯在低温下的性能有重要影响，如果增加低熔点、低粘度溶剂含量，电池的低温性能确实有所提高，但其高温性能会变差，两者无法兼顾。

另一方面，离子液体具有热稳定性好、电导率高、电化学窗口宽、不挥发、不燃烧等特点，作为新一代功能电解质材料以及电解液添加剂在不同电池体系中的应用成为当前研究的热点。功能化离子液体是在阴、阳离子中引入一个或多个官能团或离子液体本身具有特定的结构而赋予或使得离子液体具有某种特殊功能或特性，有望成为解决锂离子电池温度性能的突破点。

有鉴于此，确有必要开发出一种能够改善锂离子电池低温循环性能、但对其高温性能影响较小的电解液及其添加剂。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够在不影响锂离子电池的高温性能或影响较小的条件下，提高锂离子电池的低温循环性能的锂离子电池电解液及其添加剂。

为了实现上述发明目的，发明人经潜心研究发现：将N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季铵盐加入锂离子电池电解液中，能够提高电解液对活性物质极片的浸润性，这是因为该物质的疏水侧链（氮原子上的取代基）与亲水头部（吡咯烷酮环）具有双亲特性，在降低表面张力和聚集行为方面有着显著地作用，其原因在于：一是吡咯烷酮具有内酰胺结构，容易和正极粘结剂中的卤素原子等产生氢键作用，而且羰基氧和氮原子具有较大极性容易与金属原子产生配位作用，因此对正极片的润湿能力非常强；二是疏水侧链容易与负极片中的非极性物质以及SEI膜中某些官能团形成氢键等分子间作用力以及静电作用等，对负极片的浸润也有很大提高，还会通过这些作用覆盖在负极或其SEI膜表面，形成物理的“保护膜”，能够有效的减小甚至阻止溶剂在负极表面还原。此外在充放电时，离子液体阳离子与锂离子的静电斥力可减小锂离子的浓差极化，从而减小锂离子嵌插负极不及而析锂，提高放电性能，从而改善锂离子电池循环性能；而且N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季铵盐在高温下不影响电芯存储，毒性很低，对环境温和，是一种很有潜力的电解液添加剂。

基于上述理论，提供一种锂离子电池电解液添加剂，其成分包括N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季铵盐和SEI成膜添加剂，其中，N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季铵盐的化学结构式如下，

式中：R可以为烷基、醚基、烷基氰基、烷基酯基、吡啶、4-氰基苯或4-三氟甲基苯取代基中的任意一种；阴离子X^-可以为二(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子（TFSI^-）、双(氟磺酰)亚胺阴离子（FSI^-）、（2,2,2-五氟磺酰基）（三氟甲基磺酰基）亚胺阴离子（ClC₂^-）或（2,2,2-三氟乙酰基）（三氟甲基磺酰基）亚胺阴离子（TASC^-）中的任意一种。

作为本发明锂离子电池电解液添加剂的一种改进，所述N-甲基-2-吡咯烷酮衍生物季铵盐优选为1-甲基-2-氧-1-丙基吡咯烷酮双(三氟甲基磺酰基)亚胺盐（NMP-1）、1-(3-甲氧基丙基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮双(三氟甲基磺酰基)亚胺盐（NMP-2）、1-(氰基甲基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮双(三氟甲基磺酰基)亚胺盐（NMP-3）、1-(2-甲氧基-2-氧代乙基)-1-甲基2-氧-吡咯烷酮双(氟磺酰)亚胺盐（NMP-4），各化合物的结构式如下：

作为本发明锂离子电池电解液添加剂的一种改进，所述SEI成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯。

为了实现上述发明目的，本发明还提供一种锂离子电池电解液，其包括锂盐、溶剂和添加剂，所述添加剂为前述任一段落中所述的添加剂。