[发明专利]一种高能量密度磷酸亚铁锂电池电解液及锂离子电池

说明书

本发明公开了一种高能量密度磷酸亚铁锂电池电解液及锂离子电池，涉及锂离子电池技术领域。本发明的高能量密度磷酸亚铁锂电池电解液包含非水性有机溶剂、锂盐和添加剂，其中，所述添加剂包含A、B、C三种添加剂，所述添加剂A的结构式为M，所述添加剂B是具有结构式N或O的化合物，所述添加剂C为一类含硫的环状有机化合物。本发明的电解液通过上述A、B、C三类添加剂的联合使用，使得SEI膜中的有机和无机组成相对均衡，优化电池极片界面，增强SEI膜的物化稳定性，可以满足磷酸铁锂体系高能量密度电池的性能需求，实现在高能量密度条件下综合性能的兼顾。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体是涉及一种高能量密度磷酸亚铁锂电池电解液及锂离子电池。

背景技术

磷酸亚铁锂(LiFePO₄)由于价格便宜、安全性能好、无毒、对环境友好、理论容量高达170mAh/g等优点，是目前动力电池和储能领域中最具发展前景的正极材料之一。然而，传统的磷酸亚铁锂电池体系的压实密度较低，能量密度成为限制其发展的一大障碍。

为了提升铁锂电池体系的能量密度，从材料和设计上主要采用如下方法：①正极方面将铁锂材料纳米化，同时增大正极材料涂覆面密度，提高材料的压实密度至2.2g/cm³以上；②负极方面选用容量和压实更高的负极材料，或掺入硅负极提高负极的克容量；③减少辅料的加入(包括降低电解液的保液系数)等；④将电池的单体容量做高至100AH以上从而提高系统能量密度。

工艺和设计的变化对电解液提出了更高的要求：①一方面在一定空间体积下正负极活性材料增大后留给电解液的空间逐渐降低；②正负极材料的压实密度较高，电解液在电池体系中的浸润是较大的问题，锂离子扩散比低能量密度体系更加困难；③传统的电解液中通常使用碳酸亚乙烯酯(VC)为主要的添加剂改善铁锂的循环性能，但该添加剂加入过多时容易引起界面阻抗增加，同时该化合物主要形成聚合状态的有机SEI膜组分，耐高温性能较差；④单体电池的容量增大后，电池在充放电过程中发热量会大幅度增加，如电池常温(25℃)环境测试时，电池的外部温度都可达45℃(电芯内部温度更高)，常温循环时相当于做高温充放电，对电池的高温性能提出了更高的要求；⑤高能量密度铁锂电池体系的循环性能是目前反馈的主要问题，尤其是应用在电动汽车(循环要求＞3000周)和调峰(循环要求＞7000周)等储能领域，急需开发相适应的高能量密度铁锂电解液。

专利CN201610536662.X中披露通过采用碳酸亚乙烯酯(VC)+氟苯(FB)+硫酸乙烯酯(DTD)的组合方式提升高能量密度铁锂电池的循环性能和高低温性能，但研发发现该组合方法仍无法满足高能量密度长循环寿命的要求，另外在高温循环条件下循环寿命容易劣化，并且随着负极材料克容量的提高也很难满足在高容量比如硅碳负极体系中的应用。

为了实现高能量密度铁锂电解液对长循环和高低温性能的兼顾，需要从多个层面通体考察：①电解液需要较高渗透性和电导率；②适宜的粘度；③适宜的界面阻抗，阻抗过低对常温和低温性能提升有利，但高温变差；阻抗过高常温和低温性能下降；④电解液中有效成分(溶质、在正负极界面其作用的添加剂组分)的浓度，VC虽是最常用的添加剂，但加入过多时形成的界面膜阻抗较大，容易引起低容和造成充电析锂从而劣化循环；⑤从SEI膜结构的观点看，在负极端SEI膜的组成包括小分子有机物和Li₂O、LiF、Li₂CO₃、有机小分子和低聚物，而在正极端主要是含LiF、Li₂CO₃及含F和含P的无机盐，也含有少量的聚合态有机物；有机物和低聚物膜具有较好的韧性和结构稳定性，但缺点是不耐高温容易分解，同时容易引起阻抗的增加；SEI膜中的无机盐组分在高温状态稳定，对电池的高温性能有积极影响，缺点是机械韧性较差。因此在电解液添加剂的组合方式方面，需要既存在有机小分子或低聚态的添加剂组分，又存在容易形成无机盐形态的添加剂组分。