鋰離子蓄電池電解質和電化學電池的制作方法
【專利說明】裡離子蓄電池電解質和電化學電池
【背景技術】
[0001] 雖然商業的裡離子蓄電池化IB)對于大多數家用電子應用來說令人滿意地運行， 但是當前可用的LIB技術不滿足用于混合動力電動汽車化EV)、插電式混合動力電動汽車 (PHEV)或純電動汽車巧V)的更多需求性能目標中的一些。具體地，當前可用的LIB技術不滿 足新一代汽車合作伙伴計劃(PNGV)設定的10-15年日歷壽命的要求。最廣泛使用的LIB電解 質由溶解于有機碳酸鹽或醋中的LiPFs構成;然而，運些常用電解質具有有限的熱穩定性和 高電壓穩定性。電解質的熱降解和電化學降解被視為裡離子蓄電池性能隨時間推移而降低 的主要原因。與高級裡離子蓄電池相關聯的許多性能和安全問題是電解質與高反應性正極 或負極之間發生不期望反應的直接或間接結果。運些反應導致循環壽命縮短、容量衰減、放 氣(可W導致電池排氣）、阻抗增大并且倍率容量降低。通常，將電極驅動至更高的電壓極值 或者將電池暴露在更高的溫度下加速了運些不期望的反應并且使相關聯問題更嚴重。在罕 見但極端濫用的條件下，可W發生不受控制的反應放熱，導致電池的熱逃逸和災難性崩解。
[0002] 穩定電極/電解質界面是控制并最小化運些不期望反應和改善LIB的循環壽命及 電壓和溫度性能限制的關鍵。被設計成W純化界面的方式選擇性地與電極表面反應、鍵合 或在電極表面處自組織的電解質添加劑代表實現運個目標的最簡單且可能成本效益最好 的方式中的一個。通用電解質溶劑和添加劑(如，碳酸亞乙醋巧C)、碳酸亞乙締醋(VC)、氣化 碳酸乙締醋(FEC)和雙乙二酸棚酸裡化iBOB))對負極SEI(固體電解質界面)層的穩定性的 影響已經被很好地記錄。證據表明，碳酸亞乙締醋(VC)和雙乙二酸棚酸裡化iBOB)例如在陽 極的表面上反應W產生更穩定的固體電解質界面(SEI)。
[0003] 在升高的溫度(例如，>45°C)和高電壓（例如，>4.2Vvs丄i/Li + )下，運些電解質 的曰歷壽命較差，并且容量快速衰減。穩定SEI和抑制可致使電極（陰極和陽極二者)界面處 電解質降解的有害熱反應和氧化還原反應將導致日歷壽命延長和LIB的熱穩定性增強。
【發明內容】
[0004] 本公開提供了用于裡離子蓄電池的包含水的電解質溶液。
[0005] 與傳統的觀念相反，在用于裡離子蓄電池的電解質中保持一定的水含量可W提高 長期性能，同時降低裡離子電池的成本。雖然本公開表明嚴格的電解質的水規范可W放松， 但本公開還表明保持一定程度的水對性能來說可W是有利的。
[0006] 在本公開的一個實施例中，提供了一種用于裡離子蓄電池的電解質溶液，其中所 述電解質溶液包含:裡離子蓄電池電荷傳輸介質;水;環狀碳酸醋；W及酷亞胺裡鹽;其中所 述水W基于所述電解質溶液的總重量計至少100份每百萬份(ppm)(或至少2(K)ppm)的量存 在。
[0007] 在一個實施例中，本公開提供了一種用于裡離子蓄電池的電解質溶液，其中所述 電解質溶液包含:裡離子蓄電池電荷傳輸介質;水;包含碳-碳不飽和鍵的環狀碳酸醋，或式 (1)的環狀碳酸醋：
[0009] 其中每個X獨立地為氨或面素，并且至少一個X是面素；
[0010] W及具有下式(2)的酷亞胺裡鹽：
[001 ^ 其中：R嗦示Cm拉m+1; R嗦示CnX2n+l ; m和n各自獨立地為1至8的整數；并且每個X獨立 地為氨或面素;其中所述水W基于所述電解質溶液的總重量計至少I(K)PPm的量存在。
[0013] 在一個實施例中，本公開提供了一種裡離子電化學電池，其包括:正極(例如，包含 裡金屬氧化物的正極）；負極(例如，包含碳、娃、裡、鐵酸鹽或它們的組合的負極）；W及如本 文所描述的電解質溶液。
[0014] 在某些實施例中，水W小于2000ppm，或者在一些實施例中W小于1000 ppm的量存 在于本公開的電解質溶液中。術語"包含"及其變型形式在說明書和權利要求中出現運些術 語的地方不具有限制的含義。
[0015] 詞語"優選的"和"優選地"是指在某些情況下可提供某些益處的本公開的實施例。 然而，在相同或其它情況下，其它實施例也可W是優選的。此外，對一個或多個優選實施例 的表述并不暗示其它實施例是不可用的，并且并不旨在將其它實施例排除在本公開的范圍 之外。
[0016] 在本申請中，術語諸如"一"、"一個"和"該/所述"并不旨在僅指單一實體，而是包 括可用于舉例說明的具體示例的一般類別。術語"一"、"一個"和"該/所述"可與術語"至少 一個"互換使用。
[0017] 在列表后面的短語"...中的至少一個"和"包含...中的至少一個"是指列表中項 目中的任一項W及列表中兩項或更多項的任意組合。
[0018] 如本文所用，術語"或"一般按其通常的意義使用，包括"和/或"，除非該內容清楚 地指出并非如此。
[0019] 術語"和/或"意指所列要素中的一個或全部或者所列要素中的任何兩個或更多個 的組合。
[0020] 另外，本文所有數值假定通過術語"約"修飾，并且優選地通過術語"精確地"修飾。 如本文結合測得的量所使用，術語"約"是指該測得量的變化將由技術人員通過測量并運用 與測量的目的和所用測量設備的精確度相對應的小屯、程度而預期。
[0021] 另外，本文通過端點表述的數值范圍包括在該范圍內所包含的所有數字W及端值 (例如，1 至5包括 1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等）。
[0022] 當基團不止一次存在于本文所述的式中時，無論是否明確陳述，每個基團都是"獨 立"選擇的。例如，當式中存在多于一個的X基團時，每個X基團都是獨立選擇的。
[0023] 如本文所用，術語"室溫"是指約20°C至約25°C，或約22°C至約25°C的溫度。
[0024] 本公開的上述
【發明內容】
并不旨在描述本公開的每個所公開的實施例或每種實施 方式。W下【具體實施方式】更為具體地舉例說明了例示性實施例。在本專利申請的全文的若 干處，通過示例列表提供了指導，運些示例可W各種組合使用。在每種情況下，所描述的列 表均僅用作代表性的基團，并且不應被解釋為排他性列表。
【附圖說明】
[0025] 圖1示出示例性裡離子蓄電池（即，裡離子電化學電池)的示意性剖視圖。
【具體實施方式】
[0026] 本公開提供了一種用于裡離子蓄電池的電解質溶液。電解質溶液包含環狀碳酸醋 和酷亞胺裡鹽W及水。已經發現可容許水存在于此類溶液中，并且在某些情況下，水甚至提 供優勢。
[0027] 向裡離子蓄電池中的此類電解質中添加水得到了改善的循環壽命、高電壓穩定 性、高溫回彈性，和/或特別是在低溫下減少的阻抗積聚。更具體地，向包含環狀碳酸醋和酷 亞胺裡鹽的裡離子蓄電池中的此類電解質中添加水得到W下優勢中的一個或多個優勢： (1)存儲期間的電壓降變化小；（2)在40°C和55°C下的長期循環期間容量保持改善；（3)與未 添加水的相同電池相比較，電荷轉移電阻較低；（4)與未添加水的相同電池相比較，寄生反 應率降低；W及(5)在電解質中的水分含量升高的條件下可接受的電池性能。允許水存在的 能力對于降低制造成本是很重要的。降低制造成本對裡離子蓄電池在電子產品應用中的發 展W及對運項技術在汽車行業中的成功是很重要的。
[0028] 裡離子電化學電池包括正極、負極、電解質溶液和電荷傳輸介質。在一個方面，本 公開提供了可再充電電化學電池，該可再充電電化學電池包括正極、負極、電荷傳輸電解 質，所述正極具有至少一種電活性材料，該電活性材料具有再充電電位，所述電荷傳輸電解 質包含電荷傳輸介質和電解質鹽W及溶解在電解質中的水。
[0029] 圖1示出裡離子蓄電池的示例性示意剖視圖，其中10表示到蓄電池的外部連接，20 表示正極，其中活性材料24涂覆到正集電器22上，30表示負極，其中活性材料34涂覆到負集 電器32上，并且40表示隔板和電解質。在蓄電池的充電和放電期間，裡離子在正極20和負極 30之間移動。例如，當蓄電池放電時，裡離子從負極30流到正極20。反之，當蓄電池充電時， 裡離子從正極20流到負極30。
[0030] 在本公開的一個實施例中，提供了用于裡離子蓄電池的電解質溶液，其中電解質 溶液包含:裡離子蓄電池電荷傳輸介質；W及水;環狀碳酸醋；W及酷亞胺裡鹽;其中水W基 于電解質溶液的總重量計至少100份每百萬份(ppm)的量存在。
[0031] 在某些實施例中，水W至少2(K)ppm的量存在于電解質溶液中。在某些實施例中，水 W小于2000ppm的量存在于電解質溶液中。在某些實施例中，水W小于1000 ppm的量存在于 電解質溶液中。
[0032] 在某些實施例中，環狀碳酸醋W基于電解質溶液的總重量計至少0.1重量％