[发明专利]一种锂离子电池补锂剂及其制备方法、应用

说明书

本发明提供了一种含氮杂环化合物，具有式(I)所示结构。该化合物可以用于锂离子电池预锂化的有机补锂过程，补锂方法属于正极补锂中的有机锂盐补锂。该含氮杂环补锂剂结构中含有含氮五元环、氰基和‑OLi基团。本发明还公布了含氮杂环补锂剂的使用方法，包括含有该补锂剂的正极极片以及该正极极片组装的软包电池。本发明公开的含氮杂环补锂剂具有化学性质比较稳定、不产气、脱锂容量高、能不可逆嵌锂、补锂后无残余的优点，同时兼容现有锂离子电池制造工艺。

技术领域

本发明属于锂离子电池正极材料技术领域，涉及一种含氮杂环化合物及其合成方法、应用、锂离子电池，尤其涉及一种锂离子电池补锂剂及其制备方法、应用。

背景技术

随着新能源行业的不断发展，锂离子电池受到广泛关注，而提高其能量密度则是未来发展的重点。目前形势下，提高锂离子电池能量密度较为容易的实现方法在于电池正负极材料，在正极材料方面，为适应电池逐渐升高的能量密度的要求，三元材料(NCM、NCA)近几年来快速发展，并成功在锂离子电池体系中得到广泛应用；在负极方面，石墨材料作为一种使用较为广泛的锂离子电池负极材料，有着来源广泛，储量丰富，电化学性能较为稳定等优点，但是其缺点也很显著，即克容量不足，在首次充放电过程中存在活性锂损失，而该缺点可以通过提前补锂的方法补偿锂离子电池的不可逆容量损失，使电池的容量得到恢复，从而可提高锂离子电池的能量密度，近年来受到了人们的广泛的研究。

目前预锂化技术主要包括负极补锂和正极补锂。对于负极补锂的研究时间较长，但迟迟没有得到大规模应用，就是因为负极补锂一般需要使用金属锂(如锂粉)能量密度高，补锂效果好，但是活性很高存在很大的安全问题，使用难度大且成本高，与现有产线不兼容且产线改造成本较高，故而商业化机会不大。正极补锂路线操作简便、安全稳定性高、成本较低且与现有电池生产工艺兼容性好，是未来补锂技术有潜力的发展方向。但是，正极补锂也存在着一些问题，如富锂化合物(过渡金属氧化物锂盐)，主要为Li₂NiO₂和Li₅FeO₄，Li₂NiO₂易分解、首次脱锂能力高且脱锂后的残留物还可以作为正极活性材料可逆地脱嵌锂离子；Li₅FeO₄理论比容量高(867mAh/g)，1mol Li₅FeO₄可释放5mol的锂离子，但Li₂NiO₂和Li₅FeO₄的空气稳定性都很差，Li₅FeO₄补锂后存在固体残留物，导致电池的能量密度略有降低。而基于转化反应的纳米复合材料主要有Li₂S/Co和LiF/Co等，与富锂化合物比有更高的补锂容量，但首次补锂后会残余没有活性的氟化物和硫化物等，降低电池的能量密度，且有一定的毒性阻碍了其实际应用。二元锂化合物主要有Li₃N、LiN₃、Li₂O₂和Li₂O，补锂效果好，补锂后无残留，但是存在产气问题，如O₂和N₂等，会对电池造成容量衰减和安全问题，而且Li₂O₂和Li₂O脱锂电位高，导致电解液分解严重。正极理想的补锂剂要满足下列条件：(1)补锂材料的脱锂电位应低于正极材料的电位上限，嵌锂电位应低于正极材料的电位下限；(2)补锂材料应展现足够高的比能量和体积能量密度；(3)补锂材料应与现在通用的制作工艺和电池体系相兼容，在极片制作时与NMP、黏结剂等不反应，在循环过程中与电解液无不良副反应，首周循环后其分解产物不影响电池循环；(4)补锂材料应具有良好的环境稳定性，在空气或较干燥环境下能够保持稳定。

因此，如何得到一种更为适宜的有机补锂剂，特别是针对于正极补锂的补锂剂，具有较好的补锂效果，解决上述现在的补锂剂存在的问题，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

发明内容