用于鎂可再充電電池的電解質及其制備方法
【專利說明】用于鎮可再充電電池的電解質及其制備方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請根據美國法典第35卷第119節要求于2014年7月25日在韓國知識產權局 提交的韓國專利申請No. 10-2014-0094856的優先權，其公開內容通過引用整體并入本文。
技術領域
[0003] 本發明設及用于儀可再充電電池的電解質溶液W及用于制備所述電解質的方法， 所述電解質溶液在高電壓區是電化學穩定的并且具有改善的離子傳導率。
【背景技術】
[0004] 眾所周知，采用裡金屬的傳統裡電池遭受了電解質系統對反應性裡陽極的許多寄 生反應（parasiticreaction)，運在其安全性方面造成了數個關鍵問題。此外，因為裡作為 自然資源相對少見，所W其被稱為貴重元素。特別地，隨著最近對中等規模和大規模應用如 電動車輛和ESS的需求不斷增加，可再充電裡電池的安全性和成本問題成為應當被考慮的 主要因素之一并且被認為是中等規模/大規模應用的主要障礙。 陽0化]為了試圖解決運些問題，最近已提出了使用金屬儀作為電極活性材料的儀可再充 電電池作為可再充電裡電池的替代品。儀可再充電電池通過來自作為電極（具體為陽極） 的儀板的儀離子嵌入陰極活性材料中/從陰極活性材料中脫嵌期間的電子遷移而工作。儀 具有與裡相似的理論容量并且是環境友好的。儀比裡便宜得多并且在電池安全性方面比裡 更優異。由于運些優點，所W儀可再充電電池作為可再充電裡電池的潛在替代品已受到相 當多的關注。
[0006] 先前對開發用于儀充電電池的電解質系統的研究都集中于在電極上顯示出可逆 儀沉積和溶解行為的格氏溶液（Grignardsolution)(烷基面化儀，RM姑，R=烷基，X=面 素）。然而，格氏溶液具有較低的離子傳導率，導致電池的充電/放電倍率較低，限制了電池 性能。因此，需要根本改進W開發比現有電池更具競爭力的儀可再充電電池和儀混合電池。 陽007] 儀金屬因其高的每單位質量和體積的能量密度（分別為2205Ah/kg，3833Ah/L)而 是很有前景的電池陽極材料。特別地，儀是豐富的自然資源并且易于處理。此外，使用儀作 為陽極材料防止了在充電和放電期間在電極表面上形成枝晶。由于運些原因，所W儀電池 在安全性和價格競爭力方面優異。在運方面，儀電池作為用于電能存儲和電動車輛的中型 和大型電池系統受到了大量關注，其市場有望在不久的將來得到擴展。
[0008] 雖然儀可再充電電池屬于具有最高理論能量密度的電池系統之一，僅次于裡電 池，但是T.Grego巧等在20世紀90年代才首次對儀可再充電電池進行了認真研究。然 而，在該報道之后的十多年中，對儀電池的報道很少。在21世紀前十年，己伊蘭大學的 化Aurbach小組開發了謝夫爾相煙levrel-地ase)陰極活性材料W確保可逆性。從那時起， 儀電池作為可再充電裡電池有前景的替代品，因其能夠解決裡電池安全性和價格問題而再 次開始引起廣泛關注。然而，迄今為止已開發的儀再充電電池的能量密度是裡離子電池的 一半或更少。在運些情況下，迫切需要開發新的陰極活性材料、電解質材料和集電體。
[0009] 特別地，對于儀金屬在負電極上的可逆沉積和溶解、Mg2+離子向陰極材料的可逆嵌 入和脫嵌W及固相內Mg2+離子的擴散，存在著許多挑戰。運些挑戰的一個關鍵解決方案是 開發對陰極和陽極都適用的新電解質。
[0010] 陰極活性材料和電解質是儀電池開發中的兩個主要研究領域。在陰極活性材料的 領域中，正在研究多種化合物如金屬-硫化合物、有機硫化合物、金屬氧化物和金屬娃酸鹽 化合物，W實現高的每單位重量的可逆容量和增強的可逆性。然而，運些化合物的性能仍然 不令人滿意。在目前的技術水平下，僅陰極活性材料如謝夫爾相MoeSs和MoeSes顯示出適合 于商品化的電池性能。
[0011] 在電解質的領域中，大多數研究都集中在對儀陽極可逆的格氏溶液。近年來，已 報道了一些儀材料（包括侶酸儀）表現出優良的性能特征。然而，能夠可逆地沉積和溶解 儀的格氏電解質因其高還原力而與常規陰極材料非常容易反應，使得其不能實際應用于電 池。相反地，基于溶解在有機溶劑中的儀鹽的能夠使Mg2+離子可逆地嵌入陰極材料中/從 陰極材料中脫嵌的傳統電解質，在儀陽極的表面上形成厚的純化膜，阻礙了金屬的可逆沉 積和溶解。
[0012] 松下電器產業有限公司（MatsushitaElectricIndustrialCo.，Ltd)的美國專 利No.6, 713, 213提出了一種非水性儀可再充電電池，其包括可再充電正極、非水性電解質 和可再充電負極，其中所述非水性電解質包含由M姑表示的含面素有機儀化合物。
[0013] 索尼的日本專利公開No. 2007-188709提出了一種電化學裝置，其具有第一電 極、第二電極和電解質，其中第二電極的活性材料因氧化而形成儀離子并且電解質是由 M姑（其中R是烷基或芳基，X是氣、氯或漠）表示的格氏溶液和有機金屬化合物或鹽（而 不是儀鹽）的混合物。
[0014] 然而，運些電解質具有在高電勢區的差的電化學穩定性并且低的離子傳導率，而 且所述電池和所述裝置在高電壓下具有低的充電/放電速率，限制了其性能。因此，需要進 一步改進W開發比現有電池更具競爭力的高電壓儀電池和儀混合電池。
【發明內容】
[0015] 本發明的一個目的是提供用于儀可再充電電池的新的電解質，其在高電勢區是高 度電化學穩定的并且同時具有高離子傳導率。
[0016] 本發明的另一個目的是提供制備用于儀可再充電電池的電解質的方法，所述電解 質在高電勢區是高度電化學穩定的。
[0017] 本發明的另一個目的是提供包括所述電解質的儀可再充電電池和可充電儀混合 電池，所述電解質具有在高電勢區優異的電化學穩定性和高離子傳導率。
[0018] 本發明的一個方面設及用于儀電池的電解質，其包含金屬氯化物鹽、儀離子和有 機溶劑。
[0019] 本發明的另一個方面設及用于儀電池的電解質，其包含金屬氯化物鹽、儀離子、有 機溶劑和由式1表示的化合物：
[0020]
[0021] 本發明的另一個方面設及制備用于儀可再充電電池的電解質的方法，其包括：(a) 將儀粉添加到有機溶劑中金屬氯化物鹽的溶液中W獲得第一溶液。
[0022] 本發明的又一個方面設及包括根據示例性實施方案中任一個的電解質的儀可再 充電電池。
[0023] 與包括基于格氏溶液的儀鹽的常規電解質相比，根據本發明的具有大電化學窗口 的用于儀可再充電電池的電解質溶液在高電勢區是高度電化學穩定的并且具有高的離子 傳導率。此外，本發明的電解質在陰極和陽極處均不引起副反應，使得電池的充電/放電效 率能夠達到100%的水平。此外，與采用常規電解質的電池相比，本發明的電解質可用于制 造具有更高放電容量、更長循環壽命和更好的高倍率能力的高性能儀可再充電電池。因此， 本發明的電解質適用于高電壓儀充電電池和儀混合電池。 陽024] 本發明的電解質與常規電解質相比具有更高的離子傳導率并表現出更好的電化 學穩定性。在本發明的電解質中Mg2+鹽的離解度比在常規電解質中高。本發明的電解質可 用于制造具有顯著較高的可逆容量、倍率能力和循環壽命性能的儀可再充電電池和儀混合 電池。特別地，