[发明专利]一种不燃性锂二次电池及其应用

说明书

本发明公开了一种不燃性锂二次电池及其应用，该电池的正极为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料、富锂材料中的一种；负极为碳材料；电解液由不燃性有机磷溶剂、锂盐和成膜添加剂组成；不燃性有机磷溶剂具有以下通式：R₁R₂R₃P(O)，R₁、R₂、R₃独立地选自烷基、烷氧基、含卤烷基、含卤烷氧基中的一种；锂盐为双氟磺酰亚胺锂或双三氟甲基磺酰亚胺锂；成膜添加剂为双草酸硼酸锂、碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸乙烯酯、氟代乙烯酯、氯代乙烯酯中的一种或几种；不燃性电解液中锂盐和有机磷电解液的摩尔比大于1：3。该不燃性锂二次电池解决了有机磷化合物和锂盐发生共嵌入以及持续还原分解的问题，提高了石墨负极的库伦效率以及可逆容量。

技术领域

本发明涉及一种不燃性锂二次电池及其应用，属于电化学和化学电源产品的技术领域。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度、高电压、环境友好、低自放电等优点，已经在便携电子产品市场占据主导地位，并逐渐在电动汽车和储能领域等市场展现出蓬勃的发展趋势。然而，随着锂离子电池向更高能量密度、高功率密度和大规模运用的方向逐步发展，安全问题频频发生，引起了社会人士的广泛关注。2016年，“三星note 7自燃”事件导致了全部note 7产品的召回和停产，造成了三星公司巨大的损失，不仅在消费者心中蒙上了一层阴影，同时在锂离子电池行业内外掀起了对电池安全问题广泛的讨论。因此，如何在保持其稳步发展的同时，兼顾到锂离子电池的安全性问题，是一个亟待探索的问题。

目前商品化的锂离子电池电解液通常使用的是碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)、乙二醇二甲醚(DME)、碳酸甲基乙基酯(EMC)的混合溶剂。其中有DME、EMC、DEC等有机碳酸酯和醚有较高的蒸气压和较低的闪点，极易燃烧，一旦滥用(高温、过充等)将产生严重的安全性问题。解决锂离子电池的安全性问题的措施主要包括内在和外在的安全保护措施，外在的安全措施主要有过充保护电路、热敏电阻(PTC电阻)、安全阀及电池外包覆的吸液材料等；内在的安全措施主要有温度敏感电极、电压敏感隔膜、热闭孔隔膜、阻燃或不燃性电解液、产气添加剂及过充保护添加剂等。这些安全保护措施在一定的限度内都能够提高电池的安全性，但随着电池单体容量不断增大，仍然无法解决高度可燃的有机电解液所带来的安全隐患。

因此，开发完全不燃烧的电解液是从根本上解决电池燃烧问题的一条可能的途径。固态无机电解质、聚合物电解质、离子液体等具有很好的不燃性，是发展非燃性电解液重要方向，但是各自都有各自运用的局限。有机磷类化合物具有熔沸点高、粘度低、介电常数高的特点，而且工业来源广泛，是不燃性电解液的最好选择。但是，目前的研究中，有机磷类化合物主要存在两类问题：(1)有机磷化合物和锂离子一起发生了共嵌入，导致石墨的层状结构被破坏，例如磷酸三甲酯(TMP)、甲基磷酸二甲酯(DMMP)；(2)石墨对有机磷化合物的还原分解有催化作用，且其不能在石墨形成稳定的SEI膜，导致有机磷化合物持续发生不可逆的氧化还原分解，在此情况下石墨的片层结构并未被破坏，例如磷酸三乙酯(TEP)、乙基磷酸二乙酯(DEEP)。这两类问题均会导致石墨负极的库伦效率低以及可逆容量低甚至没有可逆容量。为了解决这些问题可以添加一些如氟代碳酸乙烯酯(FEC)、双草酸硼酸锂(LiBOB)之类的成膜添加剂来帮助石墨负极，虽然可以在一定程度上抑制有机磷化合物发生共嵌入以及持续还原分解，提高石墨负极的库伦效率以及可逆容量，但没有从根本上改善电池的性能，远远没有达到商品化锂离子电池的应用要求。因此通过优选电解液的组分来提高有机磷类溶剂与碳材料，特别是已经商品化的石墨材料的兼容性是一条十分快捷有效的方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种不燃性锂二次电池及其应用，该锂二次电池的电解液由离子溶剂化的不燃性有机磷溶剂、锂盐和成膜添加剂组成，负极采用石墨材料，该电解液和石墨负极具有兼容性，并且完全不燃烧，在一定程度上提高了电池的安全性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：