一种非水电解液添加剂及其非水电解液、锂离子电池

本发明属于电池，具体涉及一种非水电解液添加剂及其非水电解液、锂离子电池。

背景技术：

1、电解液被誉为锂离子电池中的“血液”，作为正负极之间锂离子传输的媒介，对锂离子电池中电极材料容量的发挥、电池循环稳定性、电池安全性等起着至关重要的作用。

2、提升锂离子动力电池的比能量是满足新能源电动汽车续航需求的根本途径，高比能电池如富镍镍锰钴酸锂(nmc，ni>0.6)正极搭配硅碳负极(ncm811|sio-gr)或搭配锂金属负极(ncm811|li)、多硫化锂正极搭配锂金属负极(锂硫电池)等成为研发的热点体系。然而，但这些搭配面临诸多挑战。以ncm811|sio-gr搭配为例，负极在循环过程中发生的的体积变化导致sei膜持续破坏；正极富镍层状结构在长循环下会发生显著的结构变化和界面副反应，包括ni/li混排、过渡金属溶出、镍离子价态变化导致材料活性氧的析出，进而催化电解液分解。这些问题在高温环境下尤为显著，高温下电解液极不稳定，会促进六氟磷酸锂(lipf6)的分解，并产生hf，导致固体电解质界面膜(sei/cei)和溶剂的分解，最终导致电池老化和过早失效，限制锂离子电池的应用范围。另一方面，电极在高荷电状态(soc)下充放电能大幅度提升电池的使用效率，但极容易使电池内部快速升温导致结构损伤，从而诱发电池热失控，给锂离子电池在高温下带来了更高的安全风险，同时，高倍率充放电会加速电池循环老化的程度。因此，在追求高比能量的同时，必须克服这些挑战，以确保锂离子电池在实际应用中具有可靠性和安全性。

3、在面对上述挑战时，一种有效的策略是采用电解液调控措施，寻找适应电池体系的电解液配方以优化性能。然而，传统电解液应用于电池中还存在某些问题，例如在正负极表面形成的界面膜不稳定，界面阻抗大不利于锂离子传输，尤其在高温或高倍率下，电解液与电极材料的副反应加剧，出现电池高温循环性能和倍率性能差的问题。

4、为解决这些问题，引入适量的成膜添加剂到电解液体系中，以改善正负极的界面膜性能被认为是一种经济有效的手段，从而提高电解液的稳定性，全面提升锂离子电池性能。这种方法不仅可以有效应对电池在高温或高倍率工作条件下的挑战，还有助于增强锂离子电池的可靠性和长期稳定性，因此成膜添加剂的开发具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是传统的锂离子电池使用的电解液，在负极界面形成的sei膜在高温下不稳定，阻抗较大，出现电池高温循环性能和倍率性能差的问题，本申请提供一种非水电解液添加剂及其非水电解液、锂离子电池。

2、为解决上述技术问题，本申请提供一种非水电解液添加剂，其特征在于，所述添加剂为结构式1所示化合物，

3、

4、其中，r包括被原子或官能团取代或未被取代的烃基、被原子或官能团取代或未被取代烷氧基、被原子或官能团取代或未被取代的芳基、被原子或官能团取代或未被的杂环基、被原子或官能团取代或未被的磺酰基、酯基、卤素、被原子或官能团取代或未被的膦酸酯基、被原子或官能团取代或未被的次膦酸酯基中的至少一种。

5、优选的，所述杂环基包括氮杂环、硼杂环中的至少一种；

6、所述原子或官能团选自卤素、n原子、碳原子数1～6的烷基

7、芳基包括嘧啶基、吡啶基、苯基中的至少一种；

8、所述烃基包括碳原子数为1～6的烃基；

9、所述烷氧基的碳原子数为1～6。

10、优选的，r包括中的至少一种；

11、其中r1包括碳原子数4～12的芳基、卤素取代或未取代的碳原子数为1～6烷基、卤素中的至少一种；

12、r2、r3各自独立的选自卤素取代或未取代的碳原子数为1～6的烃基。

13、优选的，所述添加剂选自以下化合物中的一种或多种：

14、

15、

16、第二方面，本申请提供一种非水电解液，包括上述所述的非水电解液添加剂、非水有机溶剂和电解质锂盐。

17、优选的，以所述水电解液的总质量为100％计，所述非水电解液添加剂的质量百分含量为0.01～5.0％。

18、优选的，以所述水电解液的总质量为100％计，所述非水电解液添加剂的质量百分含量为0.5～3％。

19、优选的，所述非水溶剂包括醚类溶剂、腈类溶剂、碳酸酯类溶剂和羧酸酯类溶剂中的一种或多种；

20、所述锂盐包括六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂盐、双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种；

21、以所述非水电解液的总质量为100％计，所述非水溶剂的质量百分含量为90％～98.99％，所述锂盐的摩尔浓度为1～3mol/l。

22、优选的，所述电解液还包括辅助添加剂，所述辅助添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯中的至少一种；

23、以所述非水电解液的总质量为100％计，所述辅助添加剂的质量百分含量为1～5％。

24、第二方面，本申请提供一种锂离子电池，包括正极、负极和上述所述的非水电解液。

25、本申请提供的非水电解液添加剂，一方面该添加剂分子是由苯并吡咯组合的独特分子结构，具有芳香性，且其最低未占据分子轨道能级(lumo)较低，最高占据分子轨道能级(homo)较高，这使得添加剂更倾向于在电极界面处发生聚合，在聚合物主链中存在苯和吡咯环，这使得其sei膜具有一定的机械强度，热稳定性且不溶于电解液。另一方面，该吲哚类电解液添加剂可以吸收体系中的水或质子酸，吲哚中n元素促使该添加剂更容易与锂离子配位，进而出现在第一溶剂化壳层中，并在电极表面形成含有li3n的固体电解质界面膜(sei/cei)膜，抑制电池内阻增加，同时降低电池的阻抗，提高锂离子电池的高温循环性能和倍率性能。与此同时，添加剂还具有抑制电解液与活性材料之间副反应的能力，有效减少过渡金属离子的溶出，为锂离子电池的稳定运行提供了可靠的支持。

26、本申请提供的非水电解液添加剂，应用于锂离子电池中，具有抑制电池内阻增加，同时降低电池阻抗，提高电池高温循环性能、倍率性能和安全性能，降低电池的生产成本。

技术特征：

1.一种非水电解液添加剂，其特征在于，所述添加剂为结构式1所示化合物，

2.根据权利要求1所述的非水电解液添加剂，其特征在于，所述杂环基包括氮杂环、硼杂环中的至少一种；

3.根据权利要求1或2所述的非水电解液添加剂，其特征在于，r包括中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的非水电解液添加剂，其特征在于，所述添加剂选自以下化合物中的一种或多种：

5.一种非水电解液，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的非水电解液添加剂、非水有机溶剂和电解质锂盐。

6.根据权利要求5所述的非水电解液，其特征在于，以所述非水电解液的总质量为100％计，所述非水电解液添加剂的质量百分含量为0.01～5.0％。

7.根据权利要求6所述的非水电解液，其特征在于，以所述非水电解液的总质量为100％计，所述非水电解液添加剂的质量百分含量为0.5％～3％。

8.根据权利要求5所述的非水电解液，其特征在于，所述非水溶剂包括醚类溶剂、腈类溶剂、碳酸酯类溶剂和羧酸酯类溶剂中的一种或多种；

9.根据权利要求8所述的非水电解液，其特征在于，所述电解液还包括辅助添加剂，所述辅助添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯中的至少一种；

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极和权利要求5-8任意一项所述的非水电解液。

技术总结
本申请提供一种非水电解液添加剂及其非水电解液、锂离子电池；所述添加剂为结构式1所示化合物，其中，R包括被原子或官能团取代或未被取代的烃基、被原子或官能团取代或未被取代烷氧基、被原子或官能团取代或未被取代的芳基、被原子或官能团取代或未被的杂环基、被原子或官能团取代或未被的磺酰基、酯基、卤素、被原子或官能团取代或未被的膦酸酯基、被原子或官能团取代或未被的次膦酸酯基中的至少一种。本申请提供的非水电解液添加剂，具有抑制电池内阻增加，同时降低电池阻抗，提高电池高温循环性能、倍率性能和安全性能，降低电池的生产成本。

技术研发人员：王军,陈珊珊,马国华,邓永红,余霞,尹玲霞
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29