本发明属于储能元器件,具体涉及一种锂离子电池。
背景技术:
1、锂离子电池由于其能量密度高、自放电低、寿命长、绿色环保、成本合理等优点,成为汽车行业生产纯电动汽车(ev)的首选。然而,受限于低温下电解液粘度增大及锂离子传输效率降低,如何在保证电动汽车的高温性能同时兼顾低温下的性能发挥是需要解决的问题。
2、在低温条件下,缓慢的反应动力学和电解液的液固转变是锂离子电池主要的失效表现。电解液电导率下降、溶剂化锂离子在电极/电解液界面处的脱溶剂化能升高以及锂离子在电极材料中扩散速率下降等问题将导致电池性能的衰减,如电池容量的损失。此外,缓慢的反应动力学也将导致电化学反应的严重极化,即锂离子易沉积在负极材料表面形成金属锂,促进锂枝晶的形成,易诱发电池短路等安全问题。在高温条件下,严重的副反应和界面不稳定性将加速锂离子电池的退化。其中,由电解液热分解产生的氢氟酸导致的正极材料中过渡金属离子溶解问题尤为严重。同时,高温条件也将提高电池的热失控风险,引发电池安全问题。
3、对于电解质而言,温度对其自身性质和其与电极界面相关性质都具有显著影响,当温度超出电解质正常工作温度范围时,电解质会发生不可逆的化学反应(如高温氧化分解)或物理变化(如低温环境中凝固导致电导率骤降)导致电池性能迅速失效,甚至导致安全事故。而现有的电池设计往往在提升工作温度上限的同时会导致工作温度下限的提高,或是在减低工作温度下限的同时导致工作温度上限的下降,难以获得兼顾高温和低温的锂离子电池。
技术实现思路
1、针对现有锂离子电池难以兼顾高温性能和低温性能的问题,本发明提供了一种锂离子电池。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:
3、本发明提供了一种锂离子电池,包括正极、负极和非水电解液,所述负极包括含有负极材料的负极材料层,所述非水电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂,所述添加剂包括碳酸亚乙烯酯、二氟磷酸锂和硫酸乙烯酯;
4、所述锂离子电池满足以下条件:
5、0.08≤d×a/x≤8,且0.25≤d≤0.9,0.1≤x≤2.5,0.3≤a≤2;
6、其中,d为负极材料的d50/d90比值;
7、x为非水电解液中碳酸亚乙烯酯与二氟磷酸锂的质量含量比值;
8、a为非水电解液中碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯与二氟磷酸锂的质量分数总和,单位为wt%。
9、可选的,所述锂离子电池满足以下条件:
10、0.2≤d×a/x≤7。
11、可选的,所述负极材料的d50/d90比值d为0.3~0.75;和/或
12、所述负极材料的d50为9~20μm;和/或
13、所述负极材料的d90为18~45μm。
14、优选的,所述负极材料的d50为10~16μm;和/或
15、所述负极材料的d90为20~40μm。
16、可选的,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯与二氟磷酸锂的质量含量比值x为0.15~1;和/或
17、所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.05%~0.5%;和/或
18、所述非水电解液中二氟磷酸锂的质量百分含量为0.1%~1%;
19、优选的,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.1%~0.35%;和/或
20、所述非水电解液中二氟磷酸锂的质量百分含量为0.3%~0.75%。
21、可选的,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯与二氟磷酸锂的质量分数总和a为0.6%~1.6%;和/或
22、所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.05%~0.5%;和/或
23、所述非水电解液中二氟磷酸锂的质量百分含量为0.1%~1%;和/或
24、所述非水电解液中硫酸乙烯酯的质量百分含量为0.01%~1%;
25、优选的,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.1%~0.35%;和/或
26、所述非水电解液中二氟磷酸锂的质量百分含量为0.3%~0.75%;和/或
27、所述非水电解液中硫酸乙烯酯的质量百分含量为0.05%~0.75%。
28、可选的,所述非水电解液中,二氟磷酸锂的质量百分含量大于硫酸乙烯酯的质量百分含量。
29、可选的,所述非水有机溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯,所述非水有机溶剂中碳酸乙烯酯与碳酸甲乙酯的质量含量比值为0.15~0.6,且所述非水有机溶剂中碳酸甲乙酯的质量百分含量大于等于20%,和/或
30、所述非水有机溶剂中不包含羧酸酯。
31、可选的,所述负极活性材料包括人造石墨和天然石墨中的一种或多种。
32、可选的,所述正极包括含有正极活性材料的正极材料层,所述正极活性材料包括式(a)所示的化合物:
33、li1+xniacobm’1-a-bo2-yay 式(a)
34、式(a)中,-0.1≤x≤0.2,0.5<a<1,0≤b<0.3,0.6<a+b<1,0≤y<0.2,m’包括mn,以及包括b、ga、f、w、zr、mg、na、pb、k、al、cr、ba、ca、ni、sr、ti、zn、si、v、mo、nb中的零种、一种或多种,a包括s、n、f、b、cl、br及i中的一种或多种。
35、可选的,所述添加剂还包括环状硫酸酯类化合物、磺酸内酯类化合物、环状碳酸酯类化合物、磷酸酯类化合物和腈类化合物中的至少一种;
36、所述环状硫酸酯类化合物包括硫酸丙烯酯、甲基硫酸乙烯酯中的至少一种;和/或
37、所述磺酸内酯类化合物包括1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、1,3-丙烯磺酸内酯中的至少一种;和/或
38、所述环状碳酸酯类化合物包括碳酸乙烯亚乙酯、亚甲基碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯或结构式1所示化合物中的至少一种:
39、
40、所述结构式1中,r21、r22、r23、r24、r25、r26各自独立地选自氢原子、卤素原子、c1-c5基团中的一种;和/或
41、所述磷酸酯类化合物包括三(三甲基硅烷)磷酸酯、三(三乙基硅烷)磷酸酯或结构式2所示化合物中的至少一种:
42、
43、所述结构式2中,r31、r32、r33各自独立地选自c1-c5的饱和烃基、c1-c5的不饱和烃基、c1-c5的卤代烃基,且r31、r32、r33中至少有一个为不饱和烃基;和/或
44、所述腈类化合物包括丁二腈、戊二腈、己烷三腈、己二腈、庚二腈、辛二腈、壬二腈、癸二腈中的至少一种。
45、根据本发明提供的锂离子电池,在非水电解液中加入碳酸亚乙烯酯、二氟磷酸锂和硫酸乙烯酯作为添加剂,碳酸亚乙烯酯、二氟磷酸锂和硫酸乙烯酯在电池化成阶段会在负极活性材料的表面发生分解,三者分解产物共同构建形成负极表面界面膜,该负极表面界面膜对于负极活性材料具有一定的保护作用,有利于避免高温下非水电解液在负极活性材料表面的分解副反应,同时能够允许负极活性材料与非水电解液进行离子交换;但发明人研究发现,当采用不同颗粒规格的负极活性材料时,该负极表面界面膜的成膜质量却不完全一致,其主要体现在成膜致密度和离子传导率的差异,当成膜致密度较高时,锂离子电池的高温性能较优,但会影响锂离子的交换效率,导致锂离子电池在低温下的阻抗提升,电池容量下降;因此,发明人进一步研究发现,当负极材料的d50/d90比值d、碳酸亚乙烯酯与二氟磷酸锂的质量含量比值x和碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯与二氟磷酸锂的质量分数总和a满足条件0.15≤d×a/x≤8,且0.25≤d≤0.9,0.1≤x≤2.5,0.3≤a≤2时,得到的锂离子电池在高温条件下和低温条件下均展示出了较优的性能,推测是通过控制负极材料的d50/d90比值,利于形成不同的表面形貌和颗粒搭接效果,从而影响负极表面界面膜的成膜均匀性,同时通过调控碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯与二氟磷酸锂的相对比例达到调控负极表面界面膜的成分组成的目的,当d值、x值和a值达到协同条件时,能够得到一种即致密又具有较好离子传导率的负极表面界面膜,进而保证了锂离子电池在高温条件下避免非水电解液分解和在低温条件下具有较低阻抗的电化学性能。
1.一种锂离子电池,其特征在于,包括正极、负极和非水电解液,所述负极包括含有负极材料的负极材料层,所述非水电解液包括非水有机溶剂、锂盐和添加剂,所述添加剂包括碳酸亚乙烯酯、二氟磷酸锂和硫酸乙烯酯;
2.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池满足以下条件:
3.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述负极材料的d50/d90比值d为0.3~0.75;和/或
4.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯与二氟磷酸锂的质量含量比值x为0.15~1;和/或
5.根据权利要求4所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.1%~0.35%;和/或
6.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯、硫酸乙烯酯与二氟磷酸锂的质量分数总和a为0.6%~1.6%;和/或
7.根据权利要求6所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水电解液中碳酸亚乙烯酯的质量百分含量为0.1%~0.35%;和/或
8.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水电解液中,二氟磷酸锂的质量百分含量大于硫酸乙烯酯的质量百分含量。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述非水有机溶剂包括碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯,所述非水有机溶剂中碳酸乙烯酯与碳酸甲乙酯的质量含量比值为0.15~0.6,且所述非水有机溶剂中碳酸甲乙酯的质量百分含量大于等于20%,和/或
10.根据权利要求1所述的锂离子电池,其特征在于,所述负极活性材料包括人造石墨和天然石墨中的一种或多种。
