锂离子蓄电池电解质和电化学电池的制作方法
【专利说明】裡离子蓄电池电解质和电化学电池
【背景技术】
[0001] 虽然商业的裡离子蓄电池化IB)对于大多数家用电子应用来说令人满意地运行， 但是当前可用的LIB技术不满足用于混合动力电动汽车化EV)、插电式混合动力电动汽车 (PHEV)或纯电动汽车巧V)的更多需求性能目标中的一些。具体地，当前可用的LIB技术不满 足新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)设定的10-15年日历寿命的要求。最广泛使用的LIB电解 质由溶解于有机碳酸盐或醋中的LiPFs构成;然而，运些常用电解质具有有限的热稳定性和 高电压稳定性。电解质的热降解和电化学降解被视为裡离子蓄电池性能随时间推移而降低 的主要原因。与高级裡离子蓄电池相关联的许多性能和安全问题是电解质与高反应性正极 或负极之间发生不期望反应的直接或间接结果。运些反应导致循环寿命缩短、容量衰减、放 气(可W导致电池排气）、阻抗增大并且倍率容量降低。通常，将电极驱动至更高的电压极值 或者将电池暴露在更高的溫度下加速了运些不期望的反应并且使相关联问题更严重。在罕 见但极端滥用的条件下，可W发生不受控制的反应放热，导致电池的热逃逸和灾难性崩解。
[0002] 稳定电极/电解质界面是控制并最小化运些不期望反应和改善LIB的循环寿命及 电压和溫度性能限制的关键。被设计成W纯化界面的方式选择性地与电极表面反应、键合 或在电极表面处自组织的电解质添加剂代表实现运个目标的最简单且可能成本效益最好 的方式中的一个。通用电解质溶剂和添加剂(如，碳酸亚乙醋巧C)、碳酸亚乙締醋(VC)、氣化 碳酸乙締醋(FEC)和双乙二酸棚酸裡化iBOB))对负极SEI(固体电解质界面)层的稳定性的 影响已经被很好地记录。证据表明，碳酸亚乙締醋(VC)和双乙二酸棚酸裡化iBOB)例如在阳 极的表面上反应W产生更稳定的固体电解质界面(SEI)。
[0003] 在升高的溫度(例如，>45°C)和高电压（例如，>4.2Vvs丄i/Li + )下，运些电解质 的曰历寿命较差，并且容量快速衰减。稳定SEI和抑制可致使电极（阴极和阳极二者)界面处 电解质降解的有害热反应和氧化还原反应将导致日历寿命延长和LIB的热稳定性增强。
【发明内容】
[0004] 本公开提供了用于裡离子蓄电池的包含水的电解质溶液。
[0005] 与传统的观念相反，在用于裡离子蓄电池的电解质中保持一定的水含量可W提高 长期性能，同时降低裡离子电池的成本。虽然本公开表明严格的电解质的水规范可W放松， 但本公开还表明保持一定程度的水对性能来说可W是有利的。
[0006] 在本公开的一个实施例中，提供了一种用于裡离子蓄电池的电解质溶液，其中所 述电解质溶液包含:裡离子蓄电池电荷传输介质;水;环状碳酸醋；W及酷亚胺裡盐;其中所 述水W基于所述电解质溶液的总重量计至少100份每百万份(ppm)(或至少2(K)ppm)的量存 在。
[0007] 在一个实施例中，本公开提供了一种用于裡离子蓄电池的电解质溶液，其中所述 电解质溶液包含:裡离子蓄电池电荷传输介质;水;包含碳-碳不饱和键的环状碳酸醋，或式 (1)的环状碳酸醋：
[0009] 其中每个X独立地为氨或面素，并且至少一个X是面素；
[0010] W及具有下式(2)的酷亚胺裡盐：
[001 ^ 其中：R嗦示Cm拉m+1; R嗦示CnX2n+l ; m和n各自独立地为1至8的整数；并且每个X独立 地为氨或面素;其中所述水W基于所述电解质溶液的总重量计至少I(K)PPm的量存在。
[0013] 在一个实施例中，本公开提供了一种裡离子电化学电池，其包括:正极(例如，包含 裡金属氧化物的正极）；负极(例如，包含碳、娃、裡、铁酸盐或它们的组合的负极）；W及如本 文所描述的电解质溶液。
[0014] 在某些实施例中，水W小于2000ppm，或者在一些实施例中W小于1000 ppm的量存 在于本公开的电解质溶液中。术语"包含"及其变型形式在说明书和权利要求中出现运些术 语的地方不具有限制的含义。
[0015] 词语"优选的"和"优选地"是指在某些情况下可提供某些益处的本公开的实施例。 然而，在相同或其它情况下，其它实施例也可W是优选的。此外，对一个或多个优选实施例 的表述并不暗示其它实施例是不可用的，并且并不旨在将其它实施例排除在本公开的范围 之外。
[0016] 在本申请中，术语诸如"一"、"一个"和"该/所述"并不旨在仅指单一实体，而是包 括可用于举例说明的具体示例的一般类别。术语"一"、"一个"和"该/所述"可与术语"至少 一个"互换使用。
[0017] 在列表后面的短语"...中的至少一个"和"包含...中的至少一个"是指列表中项 目中的任一项W及列表中两项或更多项的任意组合。
[0018] 如本文所用，术语"或"一般按其通常的意义使用，包括"和/或"，除非该内容清楚 地指出并非如此。
[0019] 术语"和/或"意指所列要素中的一个或全部或者所列要素中的任何两个或更多个 的组合。
[0020] 另外，本文所有数值假定通过术语"约"修饰，并且优选地通过术语"精确地"修饰。 如本文结合测得的量所使用，术语"约"是指该测得量的变化将由技术人员通过测量并运用 与测量的目的和所用测量设备的精确度相对应的小屯、程度而预期。
[0021] 另外，本文通过端点表述的数值范围包括在该范围内所包含的所有数字W及端值 (例如，1 至5包括 1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等）。
[0022] 当基团不止一次存在于本文所述的式中时，无论是否明确陈述，每个基团都是"独 立"选择的。例如，当式中存在多于一个的X基团时，每个X基团都是独立选择的。
[0023] 如本文所用，术语"室溫"是指约20°C至约25°C，或约22°C至约25°C的溫度。
[0024] 本公开的上述
【发明内容】
并不旨在描述本公开的每个所公开的实施例或每种实施 方式。W下【具体实施方式】更为具体地举例说明了例示性实施例。在本专利申请的全文的若 干处，通过示例列表提供了指导，运些示例可W各种组合使用。在每种情况下，所描述的列 表均仅用作代表性的基团，并且不应被解释为排他性列表。
【附图说明】
[0025] 图1示出示例性裡离子蓄电池（即，裡离子电化学电池)的示意性剖视图。
【具体实施方式】
[0026] 本公开提供了一种用于裡离子蓄电池的电解质溶液。电解质溶液包含环状碳酸醋 和酷亚胺裡盐W及水。已经发现可容许水存在于此类溶液中，并且在某些情况下，水甚至提 供优势。
[0027] 向裡离子蓄电池中的此类电解质中添加水得到了改善的循环寿命、高电压稳定 性、高溫回弹性，和/或特别是在低溫下减少的阻抗积聚。更具体地，向包含环状碳酸醋和酷 亚胺裡盐的裡离子蓄电池中的此类电解质中添加水得到W下优势中的一个或多个优势： (1)存储期间的电压降变化小；（2)在40°C和55°C下的长期循环期间容量保持改善；（3)与未 添加水的相同电池相比较，电荷转移电阻较低；（4)与未添加水的相同电池相比较，寄生反 应率降低；W及(5)在电解质中的水分含量升高的条件下可接受的电池性能。允许水存在的 能力对于降低制造成本是很重要的。降低制造成本对裡离子蓄电池在电子产品应用中的发 展W及对运项技术在汽车行业中的成功是很重要的。
[0028] 裡离子电化学电池包括正极、负极、电解质溶液和电荷传输介质。在一个方面，本 公开提供了可再充电电化学电池，该可再充电电化学电池包括正极、负极、电荷传输电解 质，所述正极具有至少一种电活性材料，该电活性材料具有再充电电位，所述电荷传输电解 质包含电荷传输介质和电解质盐W及溶解在电解质中的水。
[0029] 图1示出裡离子蓄电池的示例性示意剖视图，其中10表示到蓄电池的外部连接，20 表示正极，其中活性材料24涂覆到正集电器22上，30表示负极，其中活性材料34涂覆到负集 电器32上，并且40表示隔板和电解质。在蓄电池的充电和放电期间，裡离子在正极20和负极 30之间移动。例如，当蓄电池放电时，裡离子从负极30流到正极20。反之，当蓄电池充电时， 裡离子从正极20流到负极30。
[0030] 在本公开的一个实施例中，提供了用于裡离子蓄电池的电解质溶液，其中电解质 溶液包含:裡离子蓄电池电荷传输介质；W及水;环状碳酸醋；W及酷亚胺裡盐;其中水W基 于电解质溶液的总重量计至少100份每百万份(ppm)的量存在。
[0031] 在某些实施例中，水W至少2(K)ppm的量存在于电解质溶液中。在某些实施例中，水 W小于2000ppm的量存在于电解质溶液中。在某些实施例中，水W小于1000 ppm的量存在于 电解质溶液中。
[0032] 在某些实施例中，环状碳酸醋W基于电解质溶液的总重量计至少0.1重量％