[发明专利]一种具有多腈类化合物的非水电解液及锂离子电池

说明书

本发明公开了一种具有多腈类化合物的非水电解液及锂离子电池，将上述化合物应用于非水电解液的钴酸锂电池中后，即使电池处于高电压下，锂离子电池的正极/电解液界面也得到有效改善，从而稳定了电极表面膜，减少了副反应，提高了电池循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种钴酸锂电池用的电解液添加剂多腈类化合物和基于该化合物的非水锂离子电池电解液。

背景技术

锂离子二次电池(lithium-ion batteries,LIBs)利用了锂离子在正、负活性材料里的嵌入和脱出电化学反应，完成了电子和电流的定向移动，实现了种能量存储和转换。由于其能量密度和功率密度高、无记忆效应、环境污染小和使用寿命长等优势而备受关注。当前，LIBs作为一种动力电池能源，正部分取代化石能源在大巴车、家用汽车、生产用车等交通工具领域中的使用，从而缓解了传统化石能源的日益枯竭和使用过程中的严重缓解污染问题；作为小型便捷式的电池，已大部分取代镍氢电池在笔记本电脑、手机、可穿戴设备等消费类产品中的使用，从而减轻了设备重量和体积、延长了待机时间；另外，LIBs还在大型储能设备领域和军事领域中得到了应用。

LIBs的核心组成部分包括正极、负极、隔膜和电解液。按正极材料的种类不同可将已大面积商业化应用的LIBs分为磷酸铁锂电池、镍钴锰三元电池、镍钴铝三元电池、锰酸锂电池和钴酸锂(LiCoO₂,LCO)电池等。其中，尽管成本较高，但由于LCO电池的可充电压高、压实密度大、克容量高、能量密度高和倍率性能好等优势，仍备受消费类电池领域的青睐，目前仍占据了较多市场份额。为了延长设备的待机时间，满足消费者的使用习惯，进一步提高LCO电池的能量密度依然是重要的研究方向，其中在众多方法中，提升电池的充电截止电压是较为简单有效的。然而高电压下，电池内部尤其是正极LCO表面的副反应加剧。内部副反应包括钴金属(Co)溶出、电解液氧化分解、LCO表面的结构破坏和由于体积效应引起的材料皲裂等。在这些副反应中，Co溶出的损害较大，不仅会引发LCO活性材料的结构坍塌和相变，还会因溶出的Co在估计表面的还原沉淀导致电池阻抗上升、负极嵌锂活性位点减少、甚至析锂。因此，抑制高电压LCO电池的Co溶出具有重要意义。

通常，解决Co溶出的方法包括了对LCO活性材料进行掺杂和包覆、颗粒粒径分布的优化，以及在电池中使用电解液添加剂实现LCO材料表面的物理或化学成膜以钝化电极表面。其中，后者具有成本低、操作简单、对工艺要求低和易于大规模应用等优势而受到了广泛关注。商业化的LIBs有机电解液主要包括有机溶剂、锂盐和功能添加剂。有机溶剂主要有碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、醚类和砜类等，锂盐主要包括LiPF₆、LiN(SO₂F)₂(LiFSI)、LiN(SO₂CF₃)₂、LiPF₂O₂(LFP)、LiBF₄、LiB(C₂O₄)₂、LiBF₂(C₂O₄)(LiODFB)和LiAsF₆等，功能添加剂包括阻燃添加剂、防过充添加剂、成膜添加剂、稳定锂盐添加剂、水分抑制添加剂和润湿添加剂等。成膜添加剂按成膜机理又可分为物理成膜剂和化学成膜剂。物理成膜剂以腈类为主，利用腈类化合物结构中-C≡N氰基N的富电子性与LCO表面的缺电子Co进行牢固地络合，可实现抑制其被电解液或其他腐蚀性副产物的侵蚀和溶出。