一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用、锂离子电池电解液和锂离子电池

本发明属于锂电池，具体涉及一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用、锂离子电池电解液和锂离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池作为高效的能源存储设备，具有工作电压高、循环寿命长、自放电小等优势，在便携式设备和电动汽车领域使用广泛。电解液作为可充电电池的“血液”对锂离子的输运起着举足轻重的作用。传统锂离子电池广泛使用的是含六氟磷酸锂以及碳酸酯类有机溶剂的电解液体系。然而，该电解液的电化学窗口通常<4.3v，无法满足高压条件下使用。当电压超过碳酸酯基电解液电化学窗口时，该电解液体系易被氧化，导致界面处阻抗的增加及电池容量的衰减。此外，正极材料金属离子在电解液中溶解，将引起正极结构坍塌，缩短电池的循环寿命。因此，构筑稳定的正极钝化层以抑制正极材料与电解液间的副反应是提升电池高压性能的关键措施。

2、为缓解正极与电解液间的副反应，目前采用较多的策略为在正极材料上涂覆一层无机物包覆层(氟化物、锂化物和氧化物)，然而无机物包覆层会增加正极/电解液界面阻抗，存在降低电池倍率性能和容量的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用、锂离子电池电解液和锂离子电池，本发明提供的氮杂环化合物应用于锂离子电池电解液，能够改善锂电池的稳定循环性能，并且不会降低锂电池的倍率性能和容量。

2、为了实现本发明的目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用，所述氮杂环化合物具有式i所示结构：

4、

5、式i中，所述r1和r2独立为氢原子、芳香基、含有1～6个碳原子的烷基或含有1～6个碳原子的卤代烷基。

6、优选地，所述氮杂环化合物为2,5-恶唑烷二酮、(s)-4-甲基恶唑烷-2,5-二酮、(4s)-3,4-二甲基-1,3-恶唑烷-2,5-二酮、(s)-4-异丙基恶唑烷-2,5-二酮、(s)-4-异丁基恶唑烷-2,5-二酮和(s)-4-苄基恶唑烷-2,5-二酮中的一种。

7、本发明还提供了一种锂离子电池电解液，包括锂盐、氮杂环化合物、溶剂和成膜助剂；所述氮杂环化合物具有式i所示结构：

8、

9、式i中，所述r1和r2独立为氢原子、芳香基、含有1～6个碳原子的烷基或含有1～6个碳原子的卤代烷基。

10、优选地，所述锂盐包括二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种。

11、优选地，所述溶剂包括碳酸酯类化合物、羧酸酯类化合物、醚类化合物和杂环化合物中的一种或多种。

12、优选地，所述成膜助剂包括碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、丙烯酸内酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和二氟磷酸锂中的一种或多种。

13、优选地，所述锂盐、氮杂环化合物、溶剂和成膜助剂的质量比为5～25:0.5～5:60～85:0.1～6。

14、本发明还提供了一种锂离子电池，包括正极、负极和锂离子电池电解液；所述锂离子电池电解液为上述技术方案所述锂离子电池电解液。

15、优选地，所述正极的活性材料为li1+anixcoymzq1-x-y-zo2+b，其中，m为mn或al；q为mg、cu、zn、sn、b、ga、cr、sr、ba、v和ti中的一种或多种；-0.10≤a≤0.50，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0.7<x+y+z≤1，-0.05≤b≤0.10。

16、所述负极包括石墨、硅、含硅合金、锡、锡合金、锂、锂合金、过渡金属氧化物和钛酸锂中的一种或多种。

17、本发明提供了一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用，所述氮杂环化合物具有式i所示结构：

18、

19、式i中，所述r1和r2独立为氢原子、芳香基、含有1～6个碳原子的烷基或含有1～6个碳原子的卤代烷基。本发明氮杂环化合物应用于锂电池电解液中，锂离子电池在化成阶段可以在正极材料界面形成具有优异力学性能的cei膜，可以缓解正极颗粒在充电过程中由于体积膨胀而导致的破裂，从而提高锂电池的稳定循环性能及存储性能。

技术特征：

1.一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用，其特征在于，所述氮杂环化合物具有式i所示结构：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述氮杂环化合物为2,5-恶唑烷二酮、(s)-4-甲基恶唑烷-2,5-二酮、(4s)-3,4-二甲基-1,3-恶唑烷-2,5-二酮、(s)-4-异丙基恶唑烷-2,5-二酮、(s)-4-异丁基恶唑烷-2,5-二酮和(s)-4-苄基恶唑烷-2,5-二酮中的一种。

3.一种锂离子电池电解液，其特征在于，包括锂盐、氮杂环化合物、溶剂和成膜助剂；所述氮杂环化合物具有式i所示结构：

4.根据权利要求3所述锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐包括二草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂和双三氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述锂离子电池电解液，其特征在于，所述溶剂包括碳酸酯类化合物、羧酸酯类化合物、醚类化合物和杂环化合物中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述锂离子电池电解液，其特征在于，所述成膜助剂包括碳酸亚乙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、丙烯酸内酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯和二氟磷酸锂中的一种或多种。

7.根据权利要求3～6任一项所述锂离子电池电解液，其特征在于，所述锂盐、氮杂环化合物、溶剂和成膜助剂的质量比为5～25:0.5～5:60～85:0.1～6。

8.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极和锂离子电池电解液；所述锂离子电池电解液为权利要求3～7任一项所述锂离子电池电解液。

9.根据权利要求8所述锂离子电池，其特征在于，所述正极的活性材料为li1+anixcoymzq1-x-y-zo2+b，其中，m为mn或al；q为mg、cu、zn、sn、b、ga、cr、sr、ba、v和ti中的一种或多种；-0.10≤a≤0.50，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0.7<x+y+z≤1，-0.05≤b≤0.10。

10.根据权利要求8所述锂离子电池，其特征在于，所述负极包括石墨、硅、含硅合金、锡、锡合金、锂、锂合金、过渡金属氧化物和钛酸锂中的一种或多种。

技术总结本发明提供了一种氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用、锂离子电池电解液和锂离子电池，涉及锂电池技术领域。本发明提供的氮杂环化合物在锂离子电池电解液中的应用，所述氮杂环化合物具有式I所示结构；式I中，所述R1和R2独立为氢原子、芳香基、含有1～6个碳原子的烷基或含有1～6个碳原子的卤代烷基。本发明将氮杂环化合物应用于锂电池电解液中，锂电池在化成阶段可以在正极材料界面形成具有优异力学性能的CEI膜，可以缓解正极颗粒在充电过程中由于体积膨胀而导致的破裂，从而提高锂电池的稳定循环性能及存储性能。技术研发人员：余婧,梁海仪,杨富杰,舒绪刚,方焱森,卢思敏受保护的技术使用者：仲恺农业工程学院技术研发日：技术公布日：2024/9/9