CN101076908A - 安全的电池溶剂 - Google Patents

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Abstract

一种离子传递溶剂，能保持非常低的蒸汽压，包含阻燃成分，并且无毒性。该溶剂与常用的电池电解质盐结合可用于替代目前的碳酸酯电解质溶剂，形成较安全的电池。它还用于与聚合物凝胶或固体聚合物电解质结合制造导电特性增强的聚合物电池。该溶剂可包括一类环状和非环状低分子量磷腈化合物，磷腈化合物包括形成核骨架的重复磷和氮单元，和结合到磷上的离子携带侧基。在优选的实施方案中，环磷腈包括至少3个磷和氮单元，侧基为聚醚、聚硫醚、聚醚/聚硫醚或它们的任意组合，和/或优选包括元素周期表第6B族的其它原子的其它基团。

Description

安全的电池溶剂
政府权利
按照美国能源部和Battelle Energy Alliance，LLC之间的合同No.DE-AC07-99ID13727和合同No.DE-AC07-05ID14517，美国政府在本发明上具有一定的权利。
相关申请
本申请要求2004年5月17日提交的专利申请No.10/848480的权益，因此引入作为参考。
发明背景
发明领域
本发明涉及可用作常规“液体”电池、固体电池和/或凝胶电池电解质中的液体组分/添加剂的离子-传递-增强材料。更具体地，本发明涉及包括具有聚醚、聚硫醚或含离子传递增强基团的其它基团的环磷腈的添加剂。此外，本发明的实施方案涉及可用于替代通常挥发性的、不稳定的、易燃的和/或有毒的常规电解质添加剂的液体组分/添加剂，其中常规电解质由于挥发、不稳定、易燃和/或有毒而通常存在安全和健康问题。
背景技术
电池一般包括一个或多个串联、并联或串并联连接的电化学电池，取决于所需的输出电压和容量。电池可被分成两类。原电池为单次使用的不可再充电的能量储存装置。二次电池可再充电并用于多次使用。但是，所有电池都有一些共同的特征。它们都具有阴极和阳极。还必须具有在电池充电或放电时能在电极之间传递离子的离子载体。
离子传递材料可为电解质溶液或聚合物。在锂离子电池工业中，在商业电池中使用这两种离子传递机制。
以电解质溶液为特征的电池一般被称为“液体”电池，并包括被多孔聚合物隔膜分开的阴极和阳极。布置在电极之间的电解质溶液在阴极和阳极之间传递离子。典型的溶剂为有机碳酸酯如碳酸亚乙酯、碳酸二亚乙酯等的混合物，最常用的电解质为LiPF6。但是，也可使用LiBF4和LiClO4。
聚合物电池具有相同的总体设计，除了隔膜和自由溶液被固体聚合物电解质(SPE)或吸收了传统电解质溶液的聚合物“海绵”代替外。聚合物电池的优点在于它们可被制得比常规电池薄。另外，由于它们没有自由溶液，因此它们不需要硬壳。因此，它们可被制成柔性形式。
通过将悬浮在溶剂和聚合物粘合剂中的细分散阴极粉末和极细分散的碳的分散体施加到衬底上来制造电池阴极。最常用的衬底为镀敷在聚酯薄膜上的铝，如可以DuPont商标Mylar得到。得到的敷金属薄膜用作阴极粉末的支撑和作为电流集电器。
阳极可由纯金属、合金或涂在敷金属薄膜上的非金属粉末制成。在二次锂电池中，薄膜为铜涂敷的聚酯。以类似于阴极的方式将非金属粉末施加到薄膜上。
锂电池可使用各种阴极和阳极。原电池最常见地包括二氧化锰阴极和锂金属阳极。二次电池一般使用锂钴氧化物阴极和碳阳极。但是，文献中描述了大量其它阴极和阳极材料，一些可在商业上得到。以下地阴极材料决不是限制性列表：锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂钴镍氧化物等。阳极可包括锂金属、碳、钛的氧化物或钒等。
在原电池中，当锂金属被氧化成锂阳离子时发生放电，锂阳离子被传递到阴极，在那里它们进入二氧化锰晶格。对这些电池再充电是不安全的。原因在于锂阳极的反复循环形成从锂金属表面长出的枝晶。这些晶须最终接触阴极，形成短路。出于这个原因，锂金属不是可再充电锂电池的常用阳极。
二次电池的充电-放电循环类似于原电池。锂阳离子离开阳极并被传递到阴极，一般是LiCoO2，在那里它们进入晶格。充电时，锂阳离子从阴极传递到阳极。碳阳极不同于锂金属阳极。锂实际上不能被镀在碳上，因为它在锂金属上。锂离子而是被传递到碳晶格中的特定位点，在那里它们形成稳定的缔合。其它非金属阳极存在类似的机制。
迄今为止，最常见的二次锂电池为“液体”电池。它们用在蜂窝式电话、计算机和可携式摄像机应用中。其中，蜂窝式电话应用是最有前景的。当蜂窝式电话发射信号时，电池需要非常大的能量。电化学响应是产生电和从阳极释放锂阳离子。锂离子传递到阴极变成过程中的速度限制步骤。因此，优异的传递特性对电池有效地发挥作用是必需的。这是液体电池胜过聚合物电池的地方。在商业锂离子电池中使用的溶剂/电解质体系提供了非常高的锂浓度和低的粘度。因此，传递良好。不幸地是，这些体系也具有一些负面特性。根据选择的特定碳酸酯溶剂，闪点可为33℃-132℃。它们存在的其它问题是它们为挥发性的。当温度升高时，蒸汽压也增加。这两个特点在受到过热的电池中是非常大的问题。
过热是取决于应用的锂离子电池的特定问题。当锂离子嵌入到锂钴氧化物晶体内或从其传递出时，发生释放热能的晶格漂移。通常，这不是什么问题。但是，如果电池处于极其大量的需求时，产生的热就变得明显。例如，如果具有大量外围设备如彩色屏面或照相机功能的蜂窝式电话传送大量数据，则电池会经受大量的加热。当电池变热时，溶剂的蒸汽压增加。如果热释放的速度大于电池的自然冷却，则压力可能会超过壳的结构极限，导致壳破裂。在这种情况下，热的蒸汽可能会迅速与空气中的氧气混合。由于电池中的碳酸酯溶剂大概会在它们的闪点之上，因此如果存在引发如火花或其它热源，则可能导致着火。
从锂离子电池工业开始时起，电池制造商就已注意到这种事件的可能性。为了防止这种可能性，他们包括了计算机化的熔丝，当电池状态超过临界范围时，它们形成开路。他们还引入了特殊的隔膜，当温度超过临界数量时，它们失去多孔性，由此“关闭”电池。
不幸地是，即使利用这些保护装置，仍存在蜂窝式电话电池爆炸的意外。因此，显然需要改进电池工业使用的安全措施。
可从根据本发明实施方案的这些新溶剂中受益的另一电池体系是大的锂离子电池体系，如动力工具电池和混合型电动车辆电池。锂离子电池由于爆炸和着火的可能性已在很大程度上从这些市场中被排除。根据本发明实施方案的磷腈溶剂能用于这些系统，消除电池破裂和着火的可能性。
直接改变锂离子电池风险预测的唯一方法是改变从根本上减少电池破裂和着火可能性的材料组分。改进的主要候选者是溶剂体系，而本发明的溶剂满足了这种需要。
发明概述
本发明包括一种新型的离子传递溶剂，其能保持非常低的蒸汽压、包含阻燃成分、并且是无毒的。可使用该溶剂结合常用电池电解质盐来代替目前的碳酸盐电解质溶液，形成更安全的电池。该溶剂还可结合聚合物凝胶或固体聚合物电解质使用，制造导电特性增强的聚合物电池。
本发明的溶剂包括一类环状和非环状低分子量磷腈化合物，其包括形成中心骨架的重复磷和氮单元和结合到磷上的离子携带侧基。在优选的实施方案中，环磷腈包括至少3个磷和氮单元，侧基为聚醚、聚硫醚、聚醚/聚硫醚(单个侧基中的混合氧和硫)或它们的任意组合，和/或包括元素周期表第6B族的其它原子的其它基团。
添加剂的优选实施方案包括具有聚醚侧基的P-N核，氧直接连接到骨架磷原子上。大量侧基以作为“直接O-P键”结合到磷上的氧为特征。分别通过键合到相同磷上的一个或两个侧聚醚的氧形成的每个O-P结构尤其是每个O-P-O结构形成“凹穴(pocket)”。这些凹穴的电化学和似硬脂(stearic)特性被认为能特别好地适合于吸引金属阳离子远离它们相应的阴离子，同时仍允许阳离子迁移。氧原子各自具有能很好地适于形成小凹穴的有效半径，这降低了由于硬脂约束造成的凹穴中离子螯合的效力。而且氧是可易极化的“软”中心。这些特征被认为减少了由于电子约束造成的金属阳离子如锂和凹穴之间的有效相互作用。这样的结果在于溶剂的螯合特性强到足以用于阳离子的有效溶剂化，但弱到足以允许有效转移到阴极或阳极结构上。
添加剂的更优选实施方案包括具有聚硫醚侧基的P-N核，硫直接连接到骨架磷原子上。大量侧基以作为“直接S-P键”的结合到磷上的硫为特征。分别通过键合到相同磷上的一个或两个侧聚醚的硫形成的每个S-P结构尤其是每个S-P-S结构形成“凹穴”。这些凹穴的电化学和似硬脂特性被认为能特别好地适合于吸引金属阳离子远离它们相应的阴离子，同时仍允许阳离子迁移。硫原子各自具有能很好地适于形成小凹穴的有效半径，这降低了由于硬脂约束造成的凹穴中离子螯合的效力。而且硫是可易极化的“软”中心。这些特征被认为减少了由于电子约束造成的金属阳离子如锂和凹穴之间的有效相互作用。
以S-P和/或S-P-S结构为特征的实施方案中的硫原子比以O-P和/或O-P-O结构为特征的实施方案中的氧原子软。因此，它们具有对离子如锂甚至更低的亲合力，这使它们和它们各自的聚磷腈实施方案为更加有效的离子载体。
还认为阳离子迁移率通过本发明溶剂的侧基中的末端氧和/或末端硫得到进一步增强。例如，如图2-6所示，可看到沿侧基的长度被隔开的末端氧和/或末端硫。认为末端氧和/或硫在本发明的优选溶剂中有助于阳离子沿分子和从分子到分子之间“掠过”和/或“跳跃”。
本专利中描述的溶剂可单独使用，或与其它磷腈溶剂或其它溶剂如有机碳酸酯以任意比例组合使用。
此外，还可在改进的分子复合材料SPE如题为“Self-dopedMolecular Composite Battery Electrolytes”的美国专利6544690中公开的“自掺杂”型电解质中使用本发明的添加剂。
因此，本发明的一个目的是提供用于包括在常规或聚合物电池中并得到更安全的电池系统的一类多功能化合物。
附图简述
图1为环磷腈的一种实施方案的示意图。
图2为代表本发明一种实施方案的式，在环核中包括三个PN单元和用氧直接连接到环核磷原子上的侧基，其中这种实施方案被命名为“六-MEEP-T”。
图3为代表本发明的一种替代硫醇实施方案的式，具有支链侧基和直接连接到环核磷上的硫。
图4为具有混合的醚和硫醚且混合的氧和硫醇连接到中心P-N环上的环磷腈的一个例子。
图5为硫醇连接到中心P-N环上的分枝聚醚臂的一个例子。
图6为分枝和非分枝的聚醚和聚醚/硫醚臂的一个例子。
图7为图2的六-MEEP-T的TGA分析。
图8为图2的六-MEEP-T的DSC分析。
图9为图2的六-MEEP-T的NMR分析。
图10为图2的六-MEEP-T的又一NMR分析。
图11图示了用常规材料制备的试验电池和用本发明溶剂的一种实施方案制备的试验电池相比的连续循环性能，其中绘制了电阻对天数的曲线。
图12图示了可在本发明的实施方案中使用的示例性直链磷腈。
发明详述
参考附图，显示了本发明溶剂的几种但不是唯一的实施方案。优选地，本发明的添加剂可用在原电池以及二次电池的电解质中，例如一次性锂二次电池和可再充电锂电池。根据本发明的添加剂优选与作为电池阳离子的锂一起使用，但它们也可与H、Na、Mg、Al等一起使用。
优选的添加剂为环磷腈，其包括优选至少3个(PN)重复单元和最优选3-10个所述重复单元的环核。每个PNB单元包括在磷和氮之间的双键和结合到磷上的两个侧基。每个PN单元通过单键在任何一侧上连接到其它PN单元上，形成环核。图1图示了适合于本发明使用的环磷腈。
优选的侧基为共价键合到PN环核上的配位基。具体到磷，配位基包括适合于增强阳离子迁移率的离子携带基团。这种离子携带基团包括乙烯-氧或乙烯-硫醇基团，或混合的乙烯-氧和硫醇基团。根据本发明，可预料到其它第6B族元素在侧基中是有效的。因此，目前优选的侧基在图1中被表示为CH3(YCH2CH2)nX，X和Y为氧和/或硫原子，和/或其它第6B族元素，和它们的各种组合。侧基的可能组合有很多，因为每个侧基可能包括不同的X和Y原子、包括不同的个数n和侧基在环核上以彼此不同的顺序排列。
侧基优选包括1-10个乙烯单元(图1中的“n”)，特定环磷腈上的侧基可全部具有相同的“n”，全部具有不同的“n”，或它们的部分组合。因此，每个侧基的总链长度可较大地变化。此外，侧基还可为直链、在主乙烯单元外的支链或它们的组合。例如，替代的侧基可包括支链，如CH3(YHCRCH2)n(YCH2CH2)X和/或CH3(YCH2HCR)n(YCH2CH2)X，其中X和Y为氧和/或硫原子，和/或其它第6B族元素，和它们的各种组合，并且其中R代表连接到X和Y上的基团。R可为任何有机基团，如但不限于烷基、烯基、炔基、芳基、醛基、酮基、芳环、杂环等。
目前优选的方法产生其中氧更优选硫直接连接到环核的磷上的添加剂。两个分子直接连接到每个磷上(氧和/或硫)，与它们各自的磷环绕和构成用于临时容纳金属离子的“凹穴”。因此，在优选的实施方案中，这种凹穴可为例如O-P-N凹穴、O-P-O凹穴和S-P-N凹穴和/或S-P-S凹穴。利用每个溶剂分子中围绕环核被隔开的3个或更多个凹穴，金属离子例如可在单个添加剂分子上从凹穴掠过或跳跃到另一个凹穴，然后在邻近添加剂分子上从一个凹穴到另一个凹穴，和/或从邻近添加剂分子上的单个凹穴，和/或从一个添加剂分子上的单个凹穴到邻近添加剂分子上的单个凹穴。通过选择直接连接到磷上的原子，可使添加剂分子包括大小和电子亲合性足以溶剂化金属阳离子但足够弱至允许阳离子容易转移到阴极或阳极上的凹穴。
根据本发明的一种添加剂包括环磷腈三聚体，称为“六-MEEP-T”，以三个PN单元即六个连接到磷上的2-(2-甲氧基乙氧基)乙醇的环形环而命名，T为“三聚体”。图2中所示的这种环磷腈包括乙烯氧侧基，因而，使用图1通式的术语，m为3，X和Y都为氧，n为2，乙烯单元为直链。因此，这种环磷腈是对称的，所有侧基相同。
可通过以下的方法合成六-MEEP-T。
合成六-MEEP-T的实施例
1)醇盐溶液的制备
向预先烘箱干燥的两升圆底烧瓶上增加磁力搅拌棒和N2气吹扫管线。向该装置中装入103克2-(2-甲氧基乙氧基)乙醇(“MEE”)和1升无水1，4-二氧杂环乙烷。向这种混合物中加入18.8克新切割的钠金属。加热得到的混合物至回流，在搅拌和N2吹扫下保持至少15小时。不剩余钠的时刻确定为反应结束。移去热，并使得到的混合物冷却至室温。
2)磷腈溶液的制备
在另一个烘箱干燥的烧瓶中，在150ml无水1，4-二氧杂环乙烷中溶解20克六氯环三磷腈，并进入到预先烘箱干燥的250ml压力平衡的添加漏斗中。
3)将这种溶液缓慢(在30分钟内)加入到醇盐溶液中以控制反应速度。由于醇盐和磷腈之间反应的放热特性，反应表现出很大的自加热程度。然后搅拌反应15分钟，然后通过倒入反应溶液到2升去离子水中来骤冷。
4)六-MEEP-T的萃取
通过用二氯甲烷萃取水溶液然后旋转蒸发来收集粗的六-MEEP-T，旋转蒸发分离出浅黄色油。发现这种油由所需产物和未反应的MEE组成。通过在水中稀释油和用三份分开的二乙醚萃取来实现MEE的除去。然后通过用二氯甲烷萃取从水相中分离产物。除去二氯甲烷得到数量为25.8克的六-MEEP-T，对应于53-wt％产率。
从这个例子和图3-6中的例子可看到，得到的侧配位基取决于为取代到环磷上选择的反应物。MEE的选择导致侧基为直链聚醚，每个侧基中具有两个乙烯重复单元。选择MEE作为唯一的醇盐导致所有侧基都是相同的。替代的反应物选择将产生替代的侧基，例如，可使用其它醇盐代替MEE，或与MEE混合，这将产生替代的侧基和/或混合侧基。例如，如果选择一种醇盐，则合成产生相同并具有与醇盐同样总体结构的侧基，在醇盐的伯氧处连接到环核的磷上。如果选择几种不同的醇盐，则产物环磷腈将具有侧基的混合形式，代表加入到合成中的各种醇盐的类型和通常相对百分比。
本发明的溶剂六-MEEP-T在于如图7-10所示的热和分子性能。图7图示了六-MEEP-T的热重分析(TGA)，显示分解温度在272.09℃处。图8图示了六-MEEP-T的DSC分析，显示玻璃转化温度为77.3-70.76℃。这些热分析表明，基于六-MEEP-T的电池可在约-70℃到约270℃的温度范围内工作，如果其它组分也能承受的话。最明显地是，TGA分析表明溶剂能保持非常低的蒸汽压，直到它开始分解的点。这将消除电池破裂的机制。
图9和10图示了六-MEEP-T的多核NMR测试。
在电池中应用新溶剂的实施例
例如，按下面的方法，将六-MEEP-T化合物施加到SPE上，再将其制造成电池。产生通过根据专利6544690的方法制成的分子复合材料SPE，MEEP作为聚合物组分，硅酸盐作为陶瓷组分。如该专利中所述，将SPE配制并干燥成大约150微米厚薄膜。本文引入专利6544690作为参考。
将这种充分成形并干燥的薄膜切割成1英寸方块，并在氩气气氛手套箱中放到制备的具有铜电流集电器的锂箔电极上，由此产生阳极/SPE叠层。向这种分子复合材料中加入5wt％的六-MEEP-T，分成两等份。在施加等份添加剂中间，使六-MEEP-T渗透复合材料SPE几分钟以避免复合材料表面量过多，其会引发“卷边效应”。使复合材料平衡超过几分钟直到它获得均匀的凝胶外观。将阴极(在铝电流集电器上的锂化氧化钴)放到阳极/SPE叠层上，并密封在惰性壳中，由此形成完整的电池。
比较性能
使用锂阳极、根据上述方法的包括本发明的六-MEEP-T添加剂的SPE核氧化钴微粒阴极制造电池。将本发明的电池和用吸收到Cellguard氧化镁薄膜内的EC/PC/DME/LiPF6制成的常规电池相比较，本发明的电池和常规电池之间的唯一差别在于电解质和液体添加剂的组成。将两种电池在C/3速度下、每周5天每天24小时充电和再充电。定期监测常规电池和具有六-MEEP-T添加剂的电池两者的电阻，并取数据点绘制在图11中。包含本发明的溶剂的电池好过常规电池，在整个测试期间保持了其初始电阻。但是，常规电池的电阻在整个测试期间连续增加。
六-甲氧基乙硫基环磷腈或六-MEET和聚[双(2-甲氧基乙氧基)烷硫基磷腈]
本发明的另一实施方案包括具有硫直接连接到磷骨架上的至少一个优选多个硫醇侧基的添加剂。优选地，“骨架”为具有3-10个PN单元的环核的形式。直接连接到每个磷上的是二个硫原子，它们与磷一起形成用于临时接受迁移的锂或其它迁移阳离子的凹穴。优选的添加剂壳包括如图3所示的子单元。包括三个这样单元的化合物也描绘在图3中，其中凹穴被画成圆圈并标记。本发明人认为硫和磷之间的直接连接形成尤其有效的凹穴，因为硫半径相对大(比氧)和中心较“软”。大的半径和软的中心被认为由于电子约束而降低了金属阳离子(例如锂)和凹穴之间的有效相互作用，因此，被认为增加了阳离子迁移率。
图3的化合物可用下面的方法来制备。
实施例1聚[双(2-2-甲氧基乙氧基)乙硫基磷腈](MEET-P)的合成
1.硫醇盐溶液的制备
向预先烘箱干燥的1升圆底烧瓶增加机械搅拌器、N2气吹扫管和水冷凝器。向该装置中装入37.2克2-(2-甲氧基乙氧基)乙硫醇(MEET)和400ml无水1，4-二氧杂环乙烷。在N2气吹扫30分钟后向该混合物中加入7.3克氢化钠(在矿物油中的80％分散体)。
2.磷腈溶液的制备
在另一烘箱干燥的烧瓶中，在150ml无水甲苯中溶解10.1克新制备的纯化聚二氯磷腈。
3.聚二氯磷腈的加入
在N2气吹扫下向搅拌的硫醇盐溶液中缓慢(在30分钟内)加入聚二氯磷腈/甲苯溶液。加入完成后，将反应混合物加热到70℃并再在N2下搅拌7小时。使反应物冷却到室温，然后通过在1.5升己烷中沉淀聚合物来骤冷，然后在250ml 50℃的纳米纯H2O中溶解和中和粗MEET-P。
4.MEET-P的纯化
使粗MEET-P/H2O溶液缓和升温到12℃，此时聚合物由于与聚合物的较低临界溶解性温度(LCST)有关的相转变行为而被赶出强离子溶液。进行该过程第二次以从聚合物中除去更多的残余盐。通过对纳米纯H2O的透析完成最后的纯化，并通过旋转蒸发除去H2O，产生1.1克MEET-P，对应于4％产率。
得到的溶剂本身适合用作电池溶剂或与其它溶剂联合。它还可用作SPE基电池的添加剂。
上面的实施例只是说明了可能制备的可能组合物的一部分，我们不打算限制本发明到这些实施例。
实施例2用六-MEEP-T溶剂制备的锂离子电池
用多孔塑料隔膜将阴极和阳极隔开，阴极由沉积在铝上的锂钴氧化物和聚合物电流集电器组成，阳极由沉积在铜上的碳和聚合物电流集电器组成。电极和隔膜被放在气密的电池壳中。
用LiPF6饱和的六-MEEP-T的溶液被插入到电池壳内，小心地消除全部气泡。
将得到的电池电连接到自动周期计上。对电池进行反复充电和放电。对于每次循环自动监测电化学性能。
100次循环后，观察到电池性能基本未变。
实施例3用混合碳酸酯溶剂制备的锂离子电池
制备与前面实施例基本相同的电池，除了电池溶剂为碳酸亚乙酯和碳酸二亚乙酯与LiPF6的混合物。
同样对电池进行充电和放电100次循环。与前面的实施例一样，电池的电化学性能只有很小的变化。
上两个实施例的意义包括六-MEEP-T能用作有效的电池溶剂。
实施例4磷腈基电池的热试验
将实施例2的电池放在高温室中。将电池平衡到150℃。经过100次充电/放电循环后取出电池。电池性能与最后一次循环一致，表现类似于第一次。
因此，从上面的说明书和实施例可看出，本发明人预见到多种电解质溶剂，并可用于比目前商业产品安全得多的电解质中。尽管优选根据本发明实施方案的环磷腈构成原电池或二次电池中的全部电解质溶剂，而没有常规的有机和/或其它溶剂，但本发明人也预见到，其它溶剂中少量的本发明的环磷腈也是有效的，尤其在降低高过电解质的蒸汽压方面。此外，本发明人预见到，电解质中可能会存在来自制造、下游加工或其它处理的痕量非环磷腈杂质，这种实施方案仍在本发明的范围内。优选但不是必需地，在本发明的电解质的优选实施方案中没有氟或其它卤素。优选的实施方案以完全取代磷腈磷-氮单元的磷上的优选侧基为特征。尽管优选的实施方案包括环磷腈，但本发明预见到，直链磷腈的部分实施方案可被设计具有优选实施方案的一些益处，例如，如图12中所示。
尽管上面结合特定的方式、材料和实施方案描述了本发明，但应认识到，本发明不限制于这些公开的特例，而是延伸到所有等价物都在说明书和附图的范围内。

Claims (23)

1.一种电池溶剂，包括一种或多种磷腈化合物，磷腈化合物包含多个磷-氮重复单元，和共价结合到所述重复单元的磷上的侧基，其中所述侧基选自聚醚、聚硫醚和它们的组合。
2.权利要求1的化合物，其中磷腈核包括3-10个磷-氮重复单元，其中每个所述重复单元的磷用双键结合到各自的氮上，并且其中每个重复单元通过单键结合到相邻的重复单元上。
3.一种用于电池电解质的离子传递液体添加剂，包括PN键和侧R基，具有下面描述的通式：
(PN)mR1R2R3...R2m
在该式中，R具有通式：
-X(CH2)nY1(CH2)p1Y2(CH2)p2...Yi(CH2)piCH3其中m＝3-6，n＝1-6，X和Y为氧、硫或第6B族元素，p1至pi＝1-6。
4.一种电池电解质，包括固体聚合物电解质、可迁移阳离子和离子传递化合物，离子传递化合物包括环磷腈或低聚物，环磷腈包括磷和氮环核以及多个结合到环核的磷上的配位基，其中所述配位基的至少一个包括结合到所述磷上的硫。
5.如权利要求4所述的电池电解质，其中配位基包括聚硫醚。
6.如权利要求4所述的电池电解质，其中配位基包括含周期表第6B族元素的聚合物。
7.如权利要求4所述的电池电解质溶液，除了所述磷腈外，还包括非离子传递液体添加剂。
8.如权利要求4所述的电池电解质溶液，不包括碳酸亚乙酯。
9.一种电池，包括阳极、阴极和位置与所述阳极和阴极电接触的电解质溶液，该电解质溶液包括液体磷腈和合适的电解质盐，如但不限于LiPF6、LiBF4、LiClO4等。
10.如权利要求9所述的电池，还包括多孔隔膜。
11.如权利要求9所述的电池，其中液体磷腈以任意的摩尔比与一种或多种非磷腈电池溶剂混合。
12.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂选自有机碳酸酯溶剂。
13.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂选自有机碳酸酯，有机碳酸酯包括但不限于碳酸亚乙酯、碳酸二亚乙酯、碳酸亚丙酯。
14.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂在一种或多种磷腈溶剂中可溶。
15.一种电池，包括阴极、阳极、聚合物、含有一种或多种磷腈化合物的溶剂、和适宜的电解质盐。
16.如权利要求15所述的电池，其中聚合物为固体聚合物电解质。
17.如权利要求16所述的电池，其中聚合物包括离子传递聚合物和无机离子载体的复合材料。
18.如权利要求15所述的电池，其中聚合物本身不用作电解质，但用作电解质溶液的基质。
19.如权利要求9所述的电池，还包含多孔隔膜。
20.如权利要求9所述的电池，其中液体磷腈以任意的摩尔比与一种或多种非磷腈电池溶剂混合。
21.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂选自有机碳酸酯溶剂。
22.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂选自有机碳酸酯，有机碳酸酯包括但不限于碳酸亚乙酯、碳酸二亚乙酯、碳酸亚丙酯。
23.如权利要求10所述的电池，其中非磷腈溶剂在一种或多种磷腈溶剂中可溶。
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