CN104737354A - 用于电化学电池的具有氟化溶剂的电解质 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电化学电池和一种用于制造此类电池的电解质。电解质包括离子供给盐和氟化溶剂，与离子供给盐一起所述氟化溶剂在-30℃至80℃间维持为单相溶液。氟化溶剂，例如氟化碳酸酯、氟脂和含氟脂，其易燃性低于其相对应的非氟化溶剂并且增强了含此溶剂电池的安全性。除盐的重量外，以重量计电解质中氟化溶剂的量为约30％至80％。氟化盐，例如氟代烷基LiPF6、氟代烷基LiBF4盐、线性和环形酰亚胺盐和甲基盐包含氟化烷基，由于它们可以溶解于氟化溶剂中而得到应用。在某些实施方案中，电解质也可包含阻燃剂，如磷腈或，更具体地，环状磷腈和/或一个或更多离子液体。

Description

用于电化学电池的具有氟化溶剂的电解质
政府许可权
本发明在美国政府支持下完成，获得能源部DE-SC0051117号资助。美国政府拥有该发明的相关权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年6月19日提交的35U.S.C§119(e)美国临时专利申请61/690,155，标题为“电化学电池和相关成分”的优先权(专利档案号：LE-00.01)，所述申请以其整体引用的方式并入本文中并用于所有目的。
背景技术
针对电化学电池性能提高方面已进行大量工作。具体地，电池的安全性、总容量、循环寿命和工作环境业已经过考量并且广泛研究。提高某一种性能通常导致另外一种性能恶化。例如，提高电池容量和充放电率可导致安全性能恶化。从多种电解质中选择，更具体地，不同的电解成分将显著影响上述性能。某些良好电解质属性包括：高离子移动性和低粘度、在工作电位的电化学稳定性、在较宽温度范围内保持单相(single phase)的能力和在相对高温时的不易燃性。
发明内容
本发明提供了一种电化学电池和一种用于制造此类电池的电解质。所述电解质包括离子供给盐和氟化溶剂，与离子供给盐一起所述氟化溶剂在约-30℃至约80℃间维持为单相溶液(single phase)。所述氟化溶剂，例如氟化碳酸酯、氟脂和含氟脂，其易燃性低于其相对应的非氟化溶剂并且增强了含此溶剂的电池的安全性。除盐的重量外，以重量计电解质中氟化溶剂的量为约30％至80％。氟化盐，例如：氟代烷基LiPF6、氟代烷基LiBF4盐、线性和环形酰亚胺盐和含氟化烷基的甲基盐，因其在氟化溶剂中的可溶性而得到应用。在某些实施方案中，所述电解质可也包含阻燃剂，例如：磷腈或，更具体地，环状磷腈和/或一个或更多离子液体。
在某些实施方案中，用于电化学电池中的电解质包括电解盐、氟化溶剂和非氟化溶剂。所述电解质成分的选择方法为，在约-30℃至约+80℃温度范围内电解质保持为一相溶液(one-phase solution)。所述电解盐包括至少一个碳原子和至少两个氟原子。所述电解盐可为通式为LiPFxR1-x的氟代烷基LiPF6盐，其中x为1至5并且至少一个R为链长为1至8的氟烷基。或者，所述电解盐可为通式为LiBFxR1-x的氟代烷基，其中x为1至4并且至少一个R为链长为1至8的氟烷基。在某些实施方案中，所述电解盐可为通式为LiN(-SO2-R)2的线性酰亚胺盐，其中至少一个R为链长为1至8的氟烷基。或者，所述电解盐可为通式为LiN(-SO2-R-)的环状酰亚胺盐，其中R为链长为1至8的氟烷基。电解盐的另外一个实例为通式为LiC(-SO2-R)3的甲基盐，其中至少一个R为链长为1至8的氟烷基。除电解盐的重量外，以重量计所述氟化溶剂的浓度为约30％至80％。此浓度能确保电解质的安全性能，例如它的易燃性，对其循环性能不产生负面影响。所述氟化溶剂可由通式CxFyHzOi表示，其中x为3至15的整数，y为1至30的整数，z为0至15的整数，并且i为1至5的整数。非氟化溶剂的实例包括：酯、醚和碳酸酯。
在某些实施方案中，所述氟化溶剂可为氟化醚、氟脂或含氟脂。具体的实例包括：1-七氟甲氧基丙烷、九氟丁基甲基醚、九氟丁基乙基醚、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷和1,1,1,2,3,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)-戊烷。在某些实施方案中，所述氟化溶剂为3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷。在某些实施方案中，除电解盐重量外，以重量计的所述氟化溶剂的浓度为约50％至75％。
所述电解盐可可为LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(SO2CF3)2或LiN(SO2F)2。在某些实施方案中，所述非氟化溶剂为碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、甲基乙基碳酸酯、碳酸甲丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯或丁酸乙酯。所述非氟化溶剂的动态粘度可可为0.3cP至2.0cP。在某些实施方案中，所述氟化溶剂的动态粘度为约0.3cP至约5.0cP。整个电解质的电导率可可为约0.1mS至约10mS。
在某些实施方案中，所述电解质也包括阻燃添加剂。以重量计所述阻燃添加剂的浓度为约1％至约10％。所述阻燃添加剂可可为一种磷酸盐、磷酸酯、磷或磷腈。所述阻燃添加剂可可包括P3N3Fx(OR)6-x，其中R为碳原子数为1至12的烷基或R为芳烃，其中x为1至6。所述阻燃添加剂包括一个环状磷腈。
在某些实施方案中，所述电解质也包括以重量计浓度为约1％至约25％的离子液体。所述离子液体可可为吡啶、哌啶、咪唑和磷离子液体。
在某些实施方案中，用于电化学电池的电解质包括：浓度为约0.6M至约2M的LiN(SO2CF2CF3)2、除电解盐重量外以重量计浓度为约60％至80％的3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷、除所述电解盐重量外以重量计浓度为约10％至30％的丁酸乙酯和除电解盐重量外以重量计浓度为约5％至15％的环状磷腈。
本发明也提供了一种包含以上所述各种电解质实例的电化学电池。这些实施方案和其他实施方案将参考所述图例随后进一步描述。
附图说明
图1为电化学电池的截面示意图，该示意图与某些实施方案相一致。
图2至10为含氟化溶剂的电解质的电化学电池的实验结果。
具体实施方式
在以下的描述中，阐述了大量具体细节以便全面理解本发明提出的概念。所提出的概念可被实际应用而无需某些或全部具体细节。在其他情况下，众所周知的过程操作未详细描述，以免模糊本发明提出的概念。当某些概念结合具体实施方案将被描述时，必须明确所述实施方案并不试图以任何方式限制本发明。
详细介绍
传统的电化学电池通常充满含有大量碳酸酯溶剂的电解质，例如：碳酸丙烯(PC)、碳酸依稀(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和乙二醇二甲醚(DME)。某种情况下，碳酸酯溶剂为电解质中唯一的溶剂。此类电解质具有高电导率、低粘度和其他以上所举的良好性能。然而，含有大量碳酸酯溶剂的电解质(例如，除电解盐重量外，以重量计大于80％)的化学稳定性和安全性较差。含有这些电解质的电化学电池在进行各种安全试验中很容易着火，例如过度充电试验、温升试验、击穿试验和其他试验。如此差的安全性能限制了电化学电池用于某些关键的应用，例如航空航天、医疗设备等应用。
为了提高电化学电池的安全性能，碳酸酯溶剂可完全或至少部分被低易燃性电解质所替代。例如，可使用通式为CxFyHzOi(x为3至5的整数，y为1至30的整数，z为0至15的整数和i为1至5的整数)的氟化溶剂。在某些实施方案中，除电解盐的重量外，以重量计的氟化溶剂的浓度可为约30％至80％，以便充分影响电解质的安全性能。
然而，非易燃液体(例如，溶剂)通常具有较小的偶极矩和较小的介电常数从而导致其电解盐溶解度较差。非易燃液体的低电解质电导率可以证明其电解盐离解能力可也很低。此外，很难将各种非易燃液体与其他具有较大偶极矩的液体混合，这将导致这些液体分为两相(two phase)，例如，含小偶极矩非易燃的一相液体和另外含大偶极矩的一相液体。意外发现当所述溶液中存在特殊电解盐时某些液体可被结合在所述电解质中，否则所述液体将无法形成一相溶液。在温度为约-30℃至约80℃范围内此类电解质可为一相溶液。例如，氟代烷基LiPF6盐、氟代烷基LiBF4盐、线性亚胺盐、环状酰亚胺盐和具有氟化烷基组(多达8个碳原子)的甲基化物盐。
从安全的角度上考虑，氟化溶剂为碳酸酯溶剂的优良替代品。具体地，所述氟化溶剂相比对应的非氟化溶剂具有较小的易燃性。例如，电解质中用含非氟甲氧基丁烷替代一个或多个上述碳酸盐能显著降低在标准引燃试验中电解质的易燃性。氟化溶剂的具体实例可以从明尼苏达州圣保罗市的3M特殊材料公司以商品名HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500和HFE-7600得到。这些特殊溶剂没有闪点。此外它们具有低易燃性，所述氟化溶剂往往毒性比较小，具有较低的粘度，并且与金属锂接触和暴露在电池电极的工作电位时往往更加稳定。
通常，适用于电化学电池的所述氟化溶剂包括：氟化碳酸酯、氟脂和氟醚。氟醚的一些实例包括：全氟丁基甲基醚、全氟丁基乙基醚、全氟戊基甲基醚、全氟戊基乙基醚、全氟庚基甲基醚、全氟庚基乙基醚。其他实例分别列举在相应的部分。所述氟化溶剂可用下面分子式表示：CxFyHzOi，其中x为3至15的整数，y为1至20的整数，z为0至15的整数和i为1至5的整数。
所述氟化溶剂可用于相对高浓度(例如：除电解盐的重量外，以重量计浓度为约30％至80％)，其与某些电解盐相结合时不存在分离电解质溶液的危险。不受限于任何特定理论，浓度至少为30％才对易燃性有显著影响。
所述电解盐通常包括氟化基，例如：链长为1至8的氟烷基。良好氟化盐的某些实例包括：氟代烷基LiPF6盐、氟代烷基LiBF4盐、线性和环状酰亚胺、含氟化烷基的甲基化物盐。具体实例包括：LiN(SO2CF2CF3)2(例如：LiBETI)、LiN(SO2CF3)2(例如：LiTFSI)和LiN(SO2F)2(例如：LiFSI)。其他实例列在下面的电解盐部分。所述电解盐的浓度可为约0.1M至3M或，更具体些，为0.6M至2.0M，例如0.8-1.2M。所述氟化盐相对于相应的非氟化溶剂更易溶于氟化溶剂。
非氟化溶剂也可被添加入所述电解质中以确保溶解度、电导率和其他性能。通常，可使用非氟化脂、醚或碳酸盐。某些具体实例包括：碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯(MPC)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(MP)、丁酸甲酯(MB)和丁酸乙酯(EB)。其它适合的碳酸盐实例包括：碳酸乙丙酯、碳酸二丙酯、双(三氟乙基)碳酸酯、双(五氟丙基)碳酸酯、三氟乙基甲基碳酸酯、五氟乙基碳酸甲酯、七氟丙基甲基碳酸酯、全氟丁基碳酸甲酯、三氟乙基碳酸乙酯、五氟乙基碳酸酯、七氟丙基碳酸乙酯和全氟丁基乙基碳酸酯。
以重量计所述非氟化溶剂的浓度可为约1％至50％或更具体地，除电解盐的重量外以重量计为约5％至20％。对于这个问题而言，除非特殊说明所列的重量比均不包括电解盐的重量。在某些实施方案中，电解质溶剂中所有非氟化溶剂的量不小于该溶液中所有氟化溶剂的量。所有非氟化溶剂与所有氟化溶剂的重量比可小于0.9或更具体地，小于0.5、小于0.2甚至小于0.1。在某些实施方案中，电解质溶液可不含任何非氟化溶剂。
在某些实施方案中，所述电解质也包括一种或多种阻燃添加剂。阻燃添加剂的某些实例包括磷酸盐、亚磷酸盐、磷化氢类、和磷腈类(例如：环状磷腈)。在某些实施方案中，阻燃添加剂的成分可由下列分子式表示：P3N3Fx(OR)6-x，其中R为碳原子数为1至12的烷基或为芳烃并且x为1至6。以重量计所述阻燃添加剂的浓度可为约1％至20％或，更具体地，以重量计为约5％至10％。从安全角度考虑希望获得更高浓度的阻燃添加剂但对电池的循环性能可产生负面的影响。
在某些实施方案中，所述电解质也包含一种或多种离子液体。所述一种或多种离子液体可用于减少整个电解质溶液的蒸气压。以重量计所述一种或多种离子液体的浓度范围为约1％至25％或，更具体地，以重量计为5％至10％。某些离子液体实例包括：吡啶、哌啶、咪唑和磷离子液体。
所述电解质可以用某种特定的分子式表达，其在温度范围为约-30℃至约80℃时为一相溶液(one-phase)(也称为单相溶液、均相溶液或简单的溶液)。换句话说，在上述温度范围内，电解质不能分为多相，每种均含有不同的成分。所述一相溶液在指定温度范围内保持其溶液性能不变。例如，在特定温度范围内电解质的不同成分是互溶的。不受任何特定理论约束，可以确定在此温度范围内电解盐不仅可溶于溶剂，而且有利于维持所有成分为单相而不是使所述成分分解。
所述电解质的电导率范围为约0.1mS/cm至约10mS/cm。所述电解质的电导率是溶液中锂离子从一个电极移动到另外一个电极速度的测量方法。较高的电导率导致较高的充电和/或放电率并且上述电导率范围相对于传统的碳酸酯溶剂而言。例如：含氟化溶剂的非易燃电解质不仅提高了安全性能而且也能维持所要求的充放电率，通过以下提供的试验数据进一步证实。
此外，由非易燃性电解质制造的电化学电池展示了稳定的循环性能。在某些实施方案中，在40℃循环500次以后原始容量降低少于20％，或者在约20℃循环100次以后原始容量降低少于20％。在具体试验实例中，电化学电池装配上一个石墨类负极和一个镍锰钴(NCM)正极从3.0V至4.2V循环。所述电池充满含有氟化溶剂的非易燃电解质。充电时以0.5C速率(电流安培表示，等同于50％的电池容量以安培-小时表示)升至4.2V，电压保持不变直至电流降至C/20。放电时为0.5C恒定电流。循环的每个充电和放电后有15min休息间隔。在另一个实例中，电池含锂铁磷酸盐(LEP)正极并且采用上述的速率和循环条件下在2.5V至3.8V间循环。所述电池也充满含非易燃性电解质的氟化溶剂。在另外实施方案中，电池含钛酸锂(LTO)负极和锂锰氧化物(LMO)正极并且在1C充电率和1C放电率下在1.5V至2.7V间循环，所述电池充满含非易燃性电解质的氟化溶剂。所有所述电池实例证明循环寿命充分满足于许多应用。
不受任何特定理论约束，可以确定所述氟化溶剂也有助于在电极表面形成更稳定的固体电解质膜层(SEI)，特别是当具有较高工作点位的活性材料或对内应力敏感(例如，循环时增大或减小硅、锗和锡的容积)。这样的SEI层电阻小，在某些实施方案中，弹性更好。SIE层的柔韧性对于具有较大膨胀性的活性材料特别有用。
在某些实施方案中，电解质可包括一种去水剂成分以确保所述电解质的稳定性。所述去水剂成分可用于确保电解质的稳定性。具体地，当与水甚至少量的水混合时大量含氟盐已被发现从而产生氢氟酸，此类水迹通常存在电解质成分中。氢氟酸可破坏各种电池成分。同样，电解质和其他电池成分中的含水量可受到控制。去水分剂成分的某些实例包括：三烷基代胺(例如：二乙胺基甲基硅烷)、内酰胺类(例如：1-甲基-2-吡咯烷酮)、碳化二亚胺(例如：N,N’-二环己基碳二亚胺)、酰胺类(例如：二甲基乙酰胺)、氨基甲酸酯(例如：含氟氨基甲酸酯)、磷酸盐(O＝P(OR)3)和亚磷酸(P(OR)3)(例如：三(2,2,2-三氟乙基)亚磷酸盐和磷酸三甲酯)、磷腈类(例如：六甲基磷腈(HMPN)和六甲基磷酸酰胺)、各种锂盐(例如：LiFAP：LiPF3(CF2CF3)3、LiBOB：LiB(C2O4)2、LiFOB：LiB(F)2(C2O4)2、草酸四氟合磷化锂LiPF4(C2O4)、四(五氟苯基)硼酸锂)、碳酸盐(例如：碳酸锂和碳酸钠)和氟化锂。
每个电解质成分、电解质配方、和使用该分子式的电化学电池将在下面详细叙述。
电解盐的实例
用于电解质中的电解盐作为离子源。所述电解盐的其他功能包括维持所述电解溶液的稳定性，例如保持溶液为一相溶液。电解盐的具体选择和它们的浓度确保了所述电解盐在所述电解溶液中的溶解度。所述电解盐的总摩尔浓度为约0.1M至约3M或，更具体地，为约0.5M至约2.0M或，甚至更具体地，为约0.75M至约1.5M。当浓度低时，所述电解盐无法提供充足数量的离子，但高浓度通常受限于溶解度极限和其他考虑因素。值得注意的是，同样的电解质可包含多种电解盐。例如，约0.1M至0.3M LiN(SO2CF3)2(亦称LiTFSI)可与0.7M-0.9M LiPF6结合。另外一个实例中，0.1M-0.2M LiPF6可与0.6M-0.7MLiN(SO2CF2CF3)2(亦称LiBETI)结合。此外，0.9M-1.1M LiTFSI可与0.5M-0.7M LiBETI相结合，或0.1M-0.3M LiTFSI可与0.5M-0.7M LiBETI结合。在某些实施方案中，LiPF6或LiBF4可以与LiTFSI和LiBETI两者都结合。
电解盐的溶解度取决于它的结构和成分，同时也取决于用于形成溶液的溶剂。例如，氟化溶剂是相对非极性化合物。为了提高氟化溶剂中的电解盐的溶解度，所述电解盐可包含一种或多种氟化烷基。这些氟化烷基可以提高这些氟化溶剂中电解盐的溶解度并且保持一相溶液，特别地，当所述氟化溶剂与非氟化溶剂结合时。研究发现较小阴离子的电解盐更难溶于在这些电解质中。试验表明LiN(SO2CF2CF3)2比LiN(SO2CF3)2易溶于氟醚，例如，LiN(SO2CF3)2，而LiN(SO2CF3)2比LiPF6易溶于氟醚。
通过试验确定不同电解盐在各种电解质成分中的溶解度。例如，据发现一种混合溶剂包括：以重量计75％HFE-7100、以重量计5％碳酸乙烯(EC)和以重量计2％甲基乙基碳酸酯(EMC)(例如：HFE-7100：EC：EMC比例为75:5:20)易溶解1M LiBETI。然而，同样混合溶液不能溶解1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4或1M LiTFSI。当HFE-7100用HFE-7300替代时(HFE-7300：EC：EMC比例为75:5:20，仍溶解1M LiBETI，当不能溶解1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4或1M LiTFSI)或用HFE-7500替换时(HFE-7500:EC:EMC比例为75:5:20，仍溶解1M LiBETI，但不能溶解1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4或1M LiTFSI)。然而，以HFE-7600:EC:EMC 75:5:20比的混合物溶解所有这些电解盐：1M LiBETI、1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4和1M LiTFSI。如本文中其他地方指出的，氟化溶剂HFE-7100、HFE-7300、HFE-7500和HFE-7600可以从明尼苏达州圣保罗市的3M特殊材料公司以用于热传导的流体得到。
此外，用乙烯丙烯(EP)替代甲基乙基碳酸酯不会改变含HFE-7500的混合物的溶解度。具体地，以HFE-7500:EC:EP 75:5:20的混合物不能溶解1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4或1M LiTFSI。以HFE-7600:EC:EP 75:5:20比的混合物仍能溶解1M LiBETI。然而，通过另外一系列实验确定对溶剂比对溶解度的影响。以HFE-7300:EC:EMC 60:10:30比的混合物仍能溶解1M LiBETI而不能溶解1M LiPF6、1M LiBF4、1M LiClO4或1M LiTFSI。
因此，电解盐的溶解度同时取决于电解盐和溶剂。将特定电解盐与特定溶剂相结合必不可少，不仅用于形成初始的电解质而且用于在一定工作环境下保持该电解质为一相溶液。
不受限于任何特殊理论，LiBETI的溶解度可取决于其氟烷基的大小。具体地，LiBETI包括CF2CF3基并且能与甲基纳米氟代醚(C4F9OCH3)组合形成溶液。一种类似的酰亚胺盐，LiTFSI包括较短的全氟烷基，例如，CF3，不能与此类乙醚组合形成溶液。一般认为替代物，各种电解盐中的氟基(或其他自由基)，例如LiPF6和LiBF4，可以用于提高氟化溶剂中的溶解度。
在某些实施方案中，所述电解盐包括一个链长为1至8的氟化烷基，例如CF3、C2F5、C3F7、C4F9、C5F11、C6F13、C7F15和C8F17。其包括氟化线性烷基和氟化非线性烷基。在很多情况下，非线性烷基导致溶液粘度低。在某些实施方案中，电解盐中的所有氟化烷基可相同(例如：LiN(SO2C2F5)2或LiN(SO2CF3)2)。除此之外，电解盐可具有不同的氟化烷基。换句话说，当出现多个氟化烷基，这些氟化烷基可独立选择。
在某些实施方案中，电解盐的摩尔量至少为约250g/mol，或更具体地，为至少约300g/mol，或甚至更具体地，为至少约600g/mol。具有长链的电解盐具有高摩尔量可有助于保持所述电解质为一相溶液。然而，此类电解盐通常用于减少溶液浓度并且可导致产生高粘度溶液从而限制了电解质传输性能。在某些实施方案中，电解盐的摩尔量为约250-1500g/mol，或更具体地，为约300-1000g/mol。
此外，相对于锂离子参考电极当电极电势高达约5.5V或，高达5.0V或，高达4.5V或甚至高达4.0V时，所述电解盐可以抗氧化和/或分解。LiTFSI、LiBETI、LiBF4、LiPF6为例的所述电解盐保持稳定至少高达4.5V。然而，低于4.5V时LiBOB和LiFSI在阴极表面被氧化。
在某些实施方案中，所述电解盐可包含氟代烷基LiPF6盐、氟代烷基LiBF4、线性和环状酰亚胺盐和甲基化物盐。具体地，电解盐可以是通式为LiPFxR1-x的氟代烷基LiPF6盐，其中x为1至5并且其中一个R为链长为1至8的氟烷基。具体实例包括：LiPF5C2F5、LiPF5C4F9、LiPF5C3F7、LiPF3(C2F5)3、LiPF3(CF3)3、LiPF3(C3F7)3、LiPF3(C4F9)3、LiPF2(C2F5)4、LiPF(C2F5)5和其他类似结构。在某些实施方案中，LiPF6-类盐的磷可被砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)所替代。LiXR6的通式，其中X为磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(Bi)，并且R为C2F5或F，其代表适用于氟化溶剂的一组电解盐。另外一组电解盐包含：磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或铋(bi)、四氟化基团(C2F5或F)和草酸盐。
另外一个所述电解盐的实例包含通式为LiBFxR1-x的氟代烷基LiBF4盐，其中x为1至4并且至少一个R为链长为1至8的氟烷基。具体实例包括：LiBF3CF3、LiBF3C2F5、LiBF3C3F7、LiBF3C4F9、LiBF2(CF3)2、LiBF2(C2F5)2、LiBF2(C3F7)2、LiBF2(C4F9)2和其他。一些含硼盐的结构分子式如下所示，其中R可是碳原子个数为1至15的氟化物或氟烷基，更具体地，为1至8。
合适的电解盐的少数其他实例由以下分子式表示，其中R可为碳原子数为1至15的氟化物或氟烷基，更具体地，为1至8并且X可为N、P、As、Sb或Bi。
此外，通式为LiN(-SO2-R)2的线性亚胺盐，其中至少一个R为链长为1至8的氟原子或氟烷基，其可用作电解盐。具体实例包括：LiN(SO2CF2CF3)2(例如：LiBETI)、LiN(SO2CF3)2(例如：LiTFSI)、和LiN(SO2F)2、(例如：LiFSI)、LiN(SO2CF2CF2CF3)2、LiN(SO2CF(CF3)CF3)2。
此外，通式为LiN(-SO2-R)2的线性亚胺盐，其中至少一个R为链长为1至8的氟原子或氟烷基，可用作电解盐。具体实例包括：LiN(SO2CF2CF3)2(例如：LiBETI)、LiN(SO2CF3)2(例如：LiTFSI)、和LiN(SO2F)2、(例如LiFSI)、LiN(SO2CF2CF2CF3)2、LiN(SO2CF(CF3)CF3)2。
电解盐的其他实例包括通式为LiN(-SO2-R-)的环状亚胺盐，其中R为链长为1至8的氟烷基。具体实例包括：LiN(-SO2CF2CF2CF2CF2–SO2-)、LiN(-SO2CF2CF2CF2CF2CF2–SO2-)、LiN(-SO2CF2CF2CF2CF2CF2CF2–SO2-)。
然而另外一个实例包含通式为LiC(-SO2-R)3的甲基化物盐，其中至少一个R为链长为1至8的氟烷基。具体实例包括：LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2CF2CF3)3。
一般而言，电解盐包括至少一个碳原子和至少两个氟原子和金属离子。
在某些实施方案中，电解盐可由下列通用分子式表示：Rf 1SO2X-(Li+)YZa、其中Rf 1为F、CF3、CF2CF3、CF2CF2CF3、CF2OCF3、CF2CF2CF2CF3、CF2OCF2CF3、CF2CF2OCF3、CF2OCF2CF2CF3、CF2CF2OCF2CF3或CF2CF2CF2OCF3。X可为碳或氮。当使用氮时(作为X)，Z不存在(例如：a＝0)。然而，当使用碳时，存在一个Z并且Y和Z为电子基团。各自独立选自一组包含CN、SO2Rf 2、SO2R、P(O)(OR)2、CO2R、P(O)R2、C(O)Rf 3、C(O)R、其形成的环烯组和H，附文中Y和Z不能都为H。R可为链长为1至8的非氟烷基。R可包括一个或多个氧原子。某些实例包括CH3、CH2CH3、CH2OCH3、CH(Ar)CH3、CH2CH2-Ar、CH2CH2CH3、CH2OCH2CH3、CH2CH2OCH3、CH(Ar)CH2CH3、CH2CH(Ar)CH3、CH2CH2CH2-Ar、CH2CH2CH2CH3、CH2OCH2CH2CH3、CH2CH2OCH2CH3、CH2CH2CH2OCH3、CH(Ar)CH2CH2CH3、CH2CH(Ar)CH2CH3、CH2CH2CH(Ar)CH3、CH2CH2CH2CH2-Ar、CH2CH2CH2CH2CH3、CH2OCH2CH2CH2CH3、CH2CH2OCH2CH2CH3、CH2CH2CH2OCH2CH3、CH2CH2CH2CH2OCH3、CH(Ar)CH2CH2CH2CH3、CH2CH(Ar)CH2CH2CH3、CH2CH2CH(Ar)CH2CH3、CH2CH2CH2CH(Ar)CH3、CH2CH2CH2CH2CH2-Ar、CH2CH2CH2CH2CH2CH3、CH2OCH2CH2CH2CH2CH3、CH2CH2OCH2CH2CH2CH3、CH2CH2CH2OCH2CH2CH3、CH2CH2CH2CH2OCH2CH3、CH2CH2CH2CH2CH2OCH3、CH(Ar)CH2CH2CH2CH2CH3、CH2CH(Ar)CH2CH2CH2CH3、CH2CH2CH(Ar)CH2CH2CH3、CH2CH2CH2CH(Ar)CH2CH3、CH2CH2CH2CH2CH(Ar)CH3和CH2CH2CH2CH2CH2CH2-Ar。对于本文而言，术语“Ar”表示一个芳香环或含氟芳香族环。Rf 2和Rf 3独立选自CF3、CF2CF3、CF2CF2CF3、CF2OCF3、CF2CF2CF2CF3、CF2OCF2CF3、CF2CF2OCF3、CF2OCF2CF2CF3、CF2CF2OCF2CF3或CF2CF2CF2OCF3。当X为氮时并且Z不存在(例如：a＝0)，然后Y可为SO2Rf 6，其中Rf 6为m为0或1的(Rf 4SO2N-(Li+)SO2)mRf 5，Rf 4为CF2、CF2CF2、CF2CF2CF2、CF2OCF2、CF2CF2CF2CF2、CF2OCF2CF2、CF2CF2OCF2、CF2OCF2CF2CF2、CF2CF2OCF2CF2或CF2CF2CF2OCF2，Rf 5为CF3、CF2CF3、CF2CF2CF3、CF2OCF3、CF2CF2CF2CF3、CF2OCF2CF3、CF2CF2OCF3、CF2OCF2CF2CF3、CF2CF2OCF2CF3或CF2CF2CF2OCF3。
氟化溶剂实例
如上所述，所述电解溶液包含至少一个氟化溶剂。在某些实施方案中，多个氟化溶剂可用于同一种电解溶液。例如，一个或多个氟化醚可与一个或多个氟化碳酸盐和/或一个或多个氟化脂结合。在相同或其他实例中，一个或多个氟化酯可与一个或多个不含任何氟醚的氟化碳酸盐结合。此外，在相同溶液中一个或多个氟化溶剂也可与一个或多个非氟化溶剂结合。非氟化溶液的各种实例描述如下。
用于电解溶液的氟化溶剂可由以下通用分子式表示：CxFyHzOi，其中X为3至15的整数，Y为1至30的整数，Z为1至15的整数和I为1至15的整数。这些氟化溶剂的具体类别包括氟化脂、氟化醚和氟化碳酸盐。例如：1-七氟甲氧基丙烷(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE-7000工程溶液得到)、九氟丁基甲基醚(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE7100工业溶液得到)、九氟丁基乙基醚(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE7200工业溶液得到)、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE7300工业溶液得到)、3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE7500工业溶液得到)和1,1,1,2,3-六氟基-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷(可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂以商品名HFE7600工业溶液得到)可被使用。这六种氟醚的物理性能如下表所述。
表–所选六种氟醚的物理性能。
由于它们较低的蒸气压，1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷(HFE-7300)、3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷(HFE-7500)和1,1,1,2,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷(HFE-7600)可特别适合于袋状电池(pouchcell)。此外，这些氟醚具有较高的沸点，这有利于袋装电池的应用。具有较低摩尔量的醚可更适合于硬电池的应用因为它们低粘度导致更好的离子移动性。在某些实施方案中，由于在各种电解盐的优良溶解度而使用1,1,1,2,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷(HFE-7600)。
某些可用的氟化溶剂可用下列分子式表示：C6F13OCH3、C6F13OC2H5、CH3OC6F12OCH3、CH3OC3F6OC3F6OCH3、CF3CFHCF2OCH2CH(CH3)OCF2CFHCF3、H(CF2)8CH2OCH3、CF3CFHCF2OCH2CH(OCF2CFHCF3)CH2OCF2CFHCF3、C(CH2OCF2CFHCF3)4、CH3C(CH2OCF2CFHCF3)3、C4F9OCH2CH2OC4F9和其混合物。
其他包括全氟聚醚的氟化溶剂的实例，例如：热传导液HT135(其化学分子式CF3-(OC3F6)n-(OCF2)n-OCF3并且可从意大利米兰SOLVAY SOLEXIS SpA公司得到)、热传导液HT200(其化学分子式CF3-(OC3F6)n-(OCF2)m-OCF3并且可从SOLVAY SOLEXIS SpA公司得到)、热传导液HT170(其化学分子式CF3-(OC3F6)n-(OCF2)m-OCF3并且可从SOLVAYSOLEXIS SpA公司得到)，它们的聚合物长度不同。
如上所述，所述氟化溶剂降低电解质的易燃性甚至当非氟化溶剂出现在同一种溶液中。根据危险材料识别系统(HMIS)的标准，由这些溶剂形成的某些氟化溶剂和电解质在美国被分类为非易燃液体。对本文而言，当它的闭杯闪点大于140°F(37.8℃)时，溶剂或电解质混合物被认为非易燃物。(例如：根据ASTM No.D3278-96(2004)“小型闭杯试验器对闪点的测定用标准试验方法”或D7236-06(2006)“小型闭杯试验器对闪点的测定用标准试验方法(斜坡法)”，具体地，HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500和HFE-7600可从明尼苏达州圣保罗市3M特殊材料工厂得到，它们为非易燃液体，没有闪点。相比之下，许多传统电解质溶剂具有相对低的闪点(例如：碳酸二甲酯的闪点为14℃，甲基乙基碳酸酯的闪点为23℃和碳酸二乙酯的闪点为25℃)，从而导致由这些溶剂形成的溶剂和电解质具有较高的易燃性。对于没有与这些氟化溶剂结合的碳酸盐，将HFE-7000、HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500或HFE-7600添加至碳酸二甲酯、甲基乙基碳酸酯和/或碳酸二乙酯，将导致该混合物的易燃性比大幅度降低。
电解质中可提供足量的一个或多个氟化溶剂以降低其易燃性。在某些实施方案中，除电解质的重量外，以重量计电解质中的所有氟化溶剂的组合浓度为约30％至80％或，更具体地，以重量计为约40％至75％或以重量计甚至为约45％至72.5％。其余成分(除电解盐以外)可包括非氟化溶剂、阻燃添加剂和/或离子液体。在某些实施方案中，电解质基本除一个或多个电解盐和一个或多个氟化溶剂外不含有任何其他成分。因此，以重量计电介质中氟化溶剂的浓度可为约100％(除电解盐的重量外)。
可使用低粘度氟化溶剂以确保足够的离子移动性。在某些实施方案中，氟化溶剂的粘度可小于约5.0cP或，更具体地，小于约2.0cP，并且甚至小于约1.0cP。例如：1-七氟甲氧基丙烷的粘度为约0.45cP、九氟丁基甲基醚的粘度为约0.58cP、九氟丁基乙基醚的粘度为约0.58cP和3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷的粘度为约1.240cP。
可使用具有高沸点和低蒸气压的氟化溶剂，特别是，对于软壳电化学设备，例如：袋状电池(pouch cells)。在某些实施方案中，在电解质中提供一个或多个氟化电池，其沸点至少为约70℃或，更具体地，至少为约90℃或甚至至少约120℃。例如：3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷的沸点为130℃。同样可使用低沸点的氟化溶剂，特别是用于硬壳电池，例如圆柱和棱柱电池，例如：1-七氟甲氧基丙烷的沸点为约34℃、九氟丁基甲基醚的沸点为约61℃、而九氟丁基乙基醚的沸点为76℃。
可使用蒸气压小于100kPa的溶液，更具体地，小于50Kpass或甚至小于25Kpass。例如：1-七氟甲氧基丙烷的蒸气压为65kPa、九氟丁基甲基醚的蒸气压为27kPa、九氟丁基乙基醚的蒸气压为16kPa和3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷的蒸气压为2.1kPa。
此外，某些氟醚，例如HFE-7300，其熔点低，可特别适合于应用在低温工作的电池的电解质混合物中。
非氟化溶剂实例
在某些实施方案中，相同电解溶液中一个或多个氟化溶剂可与一个或多个非氟化溶剂结合。所述非氟化溶剂用于确保整个溶液的溶解度、维持粘度和其他性能。不受限于任何特殊理论，通常认为非氟化溶剂的主要任务是形成一个SEI层。然而，氟化溶剂可有助于提高如上所述的SEI层的弹性和其他性能。
可使用各种非氟化溶剂，例如非氟化脂、非氟化醚和非氟碳酸盐。在某些实施方案中，非氟化溶剂包含线性和环状酯、醚和碳酸盐。具体地，可使用线性碳酸盐或线性酯。这些溶剂通过增加电导率和减少粘度提高电解质的传输性能。一些具体实例包括：碳酸二甲酯(DMC)、甲基乙基碳酸酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯(PC)、碳酸乙烯(EC)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丁酸甲酯(MB)和丁酸乙酯(EB)。这些实例的电导率大小如下排列：MA>EA>MP>EP>MB>EB和，分别地，DMC>EMC>DEC。总之，较小摩尔重量溶剂有利于提高电导率。
一小部分非氟化溶剂的某些物理性能如下表所示：
表–所选非氟化溶剂的物理性能
这些非氟化溶剂的选择部分取决于电极的类型和电池的工作环境。例如，含碳负极的可充电锂离子电池可被充满含碳酸乙烯的电极，因为碳酸乙烯能在负极形成理想的SEI层。或者，当电化学电池包括含金属锂负极或含钛酸锂负极，所述电解质可包括碳酸丙烯。在某些实施方案中，环状碳酸盐不与金属锂和钛酸锂电极一起使用。总之，制定合适的电解质用于特殊电极材料和电极气孔、电池设计和应用，可包括平衡安全性能和电解质的其他性能。具体地，较小摩尔量的酯类比较大摩尔量的酯类有助于提高离子电导率。然而，较小摩尔量酯类比较大摩尔量酯类更具有挥发性和活性。
除电解质重量外，以重量计非氟化溶剂的浓度可小于50％或，更具体地，以重量计浓度少于30％并且甚至以重量计浓度少于20％。通常，所述电解溶液中所述非氟化溶剂的量应尽量减小以减少溶液的易燃性。与所述氟化溶剂相似，低粘度非氟化溶剂可用于确保足够的离子移动性。在某些实施方案中，所述非氟化溶剂的粘度可小于约5.0cP或，更具体地，小于约2.0cP，并且甚至小于约1.0cP。在某些实施方案中，粘度可在范围约0.3cP至约2.0cP内。
具有高沸点和低蒸气压的非氟化溶剂尤其可用于软壳电化学设备。例如袋状电池。在某些实施方案中，电解质中一个或多个非氟化电池的沸点至少约50℃或，更具体地，至少约90℃和甚至至少约120℃。沸点范围为约50℃至约250℃。
阻燃添加剂实例
在某些实施方案中，电解质包含阻燃添加剂，也可称为阻燃剂。所述阻燃剂可为磷化合物，例如：磷腈(例如：环状磷腈)、膦类化合物、磷酸盐类和亚磷酸盐类。一个具体实例为甲膦酸二甲酯(DMMP)，随着DMMP浓度的增加其倾向有利于增加所述电解质的电导率。某些助燃剂的实例可用下列分子式表示：N4P4F8、N3P3(NH2)6、N3P3(OC3H7)6、N3P3(OC6H5)6、N3P3(OC6H5)3(OC6H4OH)3、2,2-N3P3(OC6H4)(NH2)2、N3P3(OCH2C2F5)3(OCH2C4F8H)3、N3P3(OCH2C4F8H)6、N3P3(NHC6H5)6、PXNX(OC3H7)2X，这里X＝3、6或9、P3N3FX(OR)6-X，这里每个R为碳原子数为1至12的独立烷基或芳烃，并且这里X为1至6。
当添加足够量时阻燃添加剂可以提高电解质的安全性能。所述电解质中除电解盐重量外，以重量计所述阻燃添加剂的浓度可为约1％至15％或，更具体地，以重量计为约2.5％至12.5％或以重量计甚至为约5％至10％。较高浓度的阻燃添加剂可负面影响电池性能(例如：循环寿命)，而低浓度可是无效的。在某些实施方案中，所述阻燃添加剂的沸点小于120℃并且甚至小于90℃。
离子液体实例
在某些实施方案中，电解质包含一个或多个离子液体。离子液体的添加通过降低其蒸气压增加所述电解质的安全性能。所述离子液体在电极工作电位范围内电化学性能应稳定。对于锂和锂离子电池，相对于锂参考电极所述离子液体可保持稳定高至至少4V并且甚至高至5V。合适的离子液体的某些实例包括：吡啶类离子液体、哌啶类离子液体、咪唑类离子液体和膦类离子液体。所述离子液体可利用上述摩尔量大于250g/mol具有阴离子的锂盐的任何阴离子。除电解盐的重量外，以重量计所述电解质中所述一个或多个离子液体的浓度可为1％至25％或，更具体地，为2.5％至22.5％或甚至为5％至20％。
电解质性能实例
电化学电池应用实例，例如汽车应用、航空航天应用、网格应用和许多其他应用，可受限于电池的温度范围。所述电解质和其成分应保持稳定。具体地，在所有工作温度下电解质应保持为一相溶液。换句话说，所述电解质不应分解为其成分以确保正确的电池工作。在某些实施方案中，所述电解质在温度约-30℃至80℃间保持为一相溶液或，更具体地，为约-20℃至70℃。在某些实施方案中，所述电解质在约-25℃至85℃或在约-20℃至90℃间保持为一相溶液。
所述电解质应充分导电。在某些实施方案中，所述电解质的电导率的范围为约0.1mS至10mS或，更具体地，为0.5mS至10mS并且甚至为1.0mS至10mS。低电导率的电解质不适合于某些电池应用，特别是高频应用。
含非易燃电解质的电池可具有稳定循环寿命。在某些实施方案中，在20℃500循环后含氟化溶剂的电化学电池容量降低少于20％或甚至10％。所述电池可以在0.5C充电率和0.5C放电率下循环，截止电压为4.2V-3.0V。
如上所述，所述电解质可为非易燃的或，更具体地，为非过分易燃的，例如，碳酸酯溶剂。将非易燃的和灭火成分添加入电解质的量应足够并且应补偿一些易燃成分的量，例如非氟化溶剂。所述电解质的易燃性可通过一个典型易燃性试验测试。该试验包括分配约0.5g至3g在一个预制的玻璃纤维隔板上。然后用丙烷火炬点燃所述电解质并记录下电解质燃烧或自行熄灭的时间。然后自行熄灭时间(SET)以电解质每克秒计算。在某些实施方案中，电解质根据上述试验方案进行试验，其SET小于30秒/克或，更具体地，小于25秒/克或甚至小于20秒/克。可对整个电池而不仅仅电解质进行附加安全试验。
电化学电池实例
这里描述的各种电解质成分可会用于标准电池，例如：10180、10280、10440(等同于AAA电池)、14250、14500(等同于AA电池)、14650、15270、16340、17340(等同于R123)、17500、17670、18350、18500、18650、19670、25500(等同于C电池)、26650和32600(等同于D电池)或定制电池。所述电池可为筒状、棱状、袋状或其他任何类型。
电化学电池的简述提供了更好了解电解质特性和与电解质接触并且在某电位暴露在电解质中的物质。根据某实施方案，图1阐述了筒状电池100的示意剖视图。正极106、负极104和缠绕在卷芯中的隔板条108，它们被插入到筒状壳102中。卷芯螺旋式缠绕组装正极106、负极104和两个隔离条108。卷芯形成壳102的形状，对于筒状电池可为圆柱形并且对于棱状电池为扁平的椭圆形。其他电极布置的类型包括堆叠电极，其可被插入硬壳或挠性壳中。
在密封电池100之前将所述电解质(未显示)充满壳102。所述电解质沁入正极106，负极104和隔板108，它们都为多孔部件。所述电解质在正极106和负极104间提供离子电导率。因此，所述电解质暴露在两个电极的工作电位下并且与电池100内部所有部件接触。所述电解质应在某些工作电位保持稳定并且应不破坏内部部件。
壳102可是刚性的，特别对于锂离子电池。其他类型的电池可被装入挠性、箔式(片材)壳内。例如，袋状电池通常被包装在一个挠性壳中。各种材料可供壳102选择。这些材料的选择部分取决于壳102暴露下的电化学电位。更具体地，如果有的话，材料的选择取决于壳连接的电极和电极的工作电位。
如果壳102与锂离子电池的正极106连接，然后壳102可由钛6-4、其他钛合金、铝、铝合金和300系列不锈钢制成。另一方面，如果壳102与锂离子电池负极104连接，外壳102可由钛、钛合金、铜、镍、铅和不锈钢制成。在某些实施方案中，例如：壳102为中性并且可与由金属锂制造的辅助电极连接。壳102与电极之间的电气连接可通过壳102和该电极直接接触建立(例如：卷芯的外螺旋)，通过拉环和其他技术将电极和外壳102连接在一起。壳102可具有一个集成的底部如图1中所示。或者，底部可以通过焊接、锡焊、卷边、和其他技术粘在壳上。底部和壳可具有相同或不同极性(例如：当外壳为中性)。
壳102的顶部，其用于插入卷芯，可盖上一个含焊接板112、防爆膜114、PCT垫圈116、头罩118和绝缘垫119的管座装置(header assembly)。焊接板112、防爆膜114、PCT垫圈116和头罩118由导电材料制成并且用于在电极(图1中负极104)和电池连接器620(集成或粘连在图1中头罩中)间导电。绝缘垫119由于支撑管座装置110的导电部件并且将这些部件与壳102绝缘。焊接板112可与通过拉环109与电极连接。拉环109的一端可与电极焊接在一起(例如：超声波焊接或电阻点焊)，而拉环另一端可与焊接板112焊接在一起。焊接板112中心和防爆膜114通过防爆膜的凸起连接在一起。如果电池110的内部压力上升(例如，由于电解质分解和其他放气过程)，防爆膜114可改变其形状并且与焊接板断开从而切断电池连接器620与电极间的电气连接。
PCT垫圈116放置在防爆膜114边缘和头罩118边缘有效地将两者相互连接。在正常工作温度，PCT垫圈的阻值很小。然而，例如，当PCT垫圈由电池100内部散热受热温升时，它的阻值将大幅度增加。PCT垫圈116是有效的温度断路器，它可电气切断防爆膜114和头罩118并且，结果是，当PCT垫圈116温度超过特定阀值温度时切断电极与电池连接器620的连接。在某些实施方案中，电池或电池组可附加使用一个负温度系数(NTC)安全装置或替代PCT设备。
电化学电池的类型取决于用于正极和负极的活性材料。正极活性材料的某些包括：Li(M’XM”Y)O2，这里M’和M”为不同金属(例如：Li(NiXMnY)O2、Li(Ni1/2Mn1/2)O2、Li(CrXMn1-X)O2、Li(AlXMn1-X)O2)、Li(CoXM1-X)O2，这里M为金属，(例如：Li(CoXNi1-X)O2和Li(CoXFe1-X)O2)、Li1-W(MnXNiYCoZ)O2，(例如：Li(CoXMnYNi(1-X-Y))O2、Li(Mn1/3Ni1/3Co1/3)O2、Li(Mn1/3Ni1/3Co1/3-XMgX)O2、Li(Mn0.4Ni0.4Co0.2)O2、Li(Mn0.1Ni0.1Co0.8)O2、)Li1-W(MnXNiXCo1-2X)O2、Li1-W(MnXNiYCoAlW)O2、Li1-W(NiXCoYAlZ)O2、(例如：Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2)、Li1-W(NiXCoYMZ)O2、这里M为金属、Li1-W(NiXMnYMZ)O2，这里M为金属、Li(NiX-YMnYCr2-X)O4、LiM’M”2O4，这里M’和M”为不同金属(例如：LiMn2-Y-ZNiYO4、LiMn2-Y-ZNiYLiZO4、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNiCuO4、LiMn1-XAlXO4、LiNi0.5Ti0.5O4、Li1.05Al0.1Mn1.85O4-ZFZ、Li2MnO3)、LiXVYOZ，例如：LiV3O8、LiV2O5和LiV6O13、LiMPO4，这里M为金属；锂铁磷酸盐(LiFePO4)为一个常见实例。它同时具有价格低并且具有高稳定性和安全性，由于相对稳定的磷酸键在过度充电时倾向于维持架构中的氧原子，但其具有较差的导热率并要求添加足量的导电添加剂，LiMXM”1-XPO4这里M’和M”为不同金属(例如：LiFePO4)、LiFeXM1-XPO4，这里M为金属、LiVOPO4、Li3V2(PO4)3、LiMPO4，这里M为金属如铁或钒，进一步，正极可包含一个二级活性材料以提高充电和放电能力，例如：V6O13、V2O5、V3O8、MoO3、TiS2、WO2、MoO2和RuO2。
正极材料的选择基于几点考虑，例如电池容量、安全要求、预期循环寿命等。钴酸锂(LiCoO2)可应用于要求较高重量和/或容积的小型电池，比如：便携式电子和医疗设备。钴元素可部分被Sn、Mg、Fe、Ti、Al、Zr、Cr、V、Ga、Zn或Cu取代。某些材料，例如锂镍氧化物(LiNiO2)，可不易出现热失控现象。其他材料提供了可观的成本优势，例如锂锰氧化物(LiMnO2)。此外，锂锰氧化物具有较高功率密度，由于它的三维晶体结构提供了更多表面积，从而允许在电极之间存在更多离子流。
活性材料可在导电基材上沉积为一层膜，用于在活性材料和电池终端间传输电流。基材可包括铜和/或包覆金属氧化物的铜晶体、不锈钢、钛、铝、镍(也用作扩散膜)、铬、钨、金属氮、金属碳化物、碳、碳纤维、石墨烯、碳网、导电聚合物或包含多层结构的以上物质的混合物。所述基材可制成金属薄片、薄膜、网格、叠层、金属线、管状、颗粒状、多层结构或任何其他适合的结构。在一个实例中，基材为厚度为1微米至50微米的不锈钢薄片。在其他实施方案中，基材为厚度为5微米至30微米的铜薄片。然而在另外一个实施方案中，基材为厚度为约5微米至50微米的铝箔片。
在某些实施方案中，隔板材料可包括由聚四氟乙烯(PETFE)的含氟聚合物纤维编制成的纤维织品和聚氟乙烯氯乙烯本身或其与含氟聚合物微孔膜的叠层。此外，隔板材料可包括：聚苯乙烯、聚氯乙烯聚丙烯、聚乙烯(包括：LDPE、LLDPE、HDPE和超高分子量聚乙烯)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯酸化物、缩醛树脂、聚羧酸盐、聚酯纤维、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、多元酮、聚苯醚、聚苯硫、聚甲基戊烯、聚砜无纺布玻璃、玻璃纤维材料、陶瓷，聚丙烯隔膜可以从美国北卡罗来纳州的Celanese Plastic工业公司得到，也可以从日本东京的Asahi化学工业公司、日本东京的Tonen公司、日本东京的Ube工业公司、日本大阪的NittoDenko K.K.公司以商品名GELGARD得到。在一个实施方案中，隔板包括前面所述材料的聚合物，和前面所述材料的混合物。
典型的隔板包括以下性能：空气阻力(赫西数)小于约800秒，或在某些具体实施方案中小于约500秒；厚度为约5μm至500μm，或在某些具体实施方案中为约10μm至100μm，或更具体地为约10μm至30μm；孔径范围为约0.01μm至5μm或更具体地为约0.02μm至0.5μm；孔隙率范围为约20％至85％，或更具体地，为约30％至60％。
在某些实施方案中，所述负极包括石墨、硬碳、钛酸盐(Li4Ti5O12)、硅和/或锗。所述正极由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、Li2FePO4F和/或LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2(或更通用的，Li(LiZNiXMnYCoZ)O2)。隔板可由聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯和聚丙烯的混合物、多孔晶体(甲基丙烯酸甲酯)-接枝聚乙烯和/或硅烷接枝聚乙烯制成。
在某些实施方案中，包括上述电解质实例的电化学电池容量为约1Wh至10,000Wh或，更具体地，5Wh至100Wh。
实验数据
进行各种实验以测定离子液体、非氟化溶剂和磷腈添加剂对电解质易燃性的影响。不同电解质配方为这个特殊组试验做准备。所有配方都包括0.8M LiBETI、除非特别指出以重量计50％(除电解盐的重量外)1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷(HFE7300)。以重量计其余50％包括其他成分，例如：离子液体、非氟化溶剂和磷腈添加剂。上述自动灭火试验(SET)用于测定电解质易燃性。
用第一种配方其包括以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计35％的丙酸甲酯、和以重量计10％的磷腈(加入到以重量计50％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷(HFE 7300))和第二种配方其包含以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计30％的丙酸甲酯、以重量计5％的N-丁基-N-甲基吡咯烷鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(例如：P14Beti)和以重量计10％的磷腈测试离子液体的影响。不含P14BETI的所述配方的SET值为10.9sec/g并且含P14BETI的配方的SET值为4.3sec/g。因此，添加P14BETI显著减小电解质的易燃性。
进行一系列相似试验以测定不同非氟化溶剂对电解质易燃性的影响。所有配方包括：以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的P14BETI和以重量计10％的磷腈(除LiBETI和1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷外)。其余30％包括其中一种下列非氟化溶剂：丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯和碳酸二乙酯。这些电解质的SET值如下所示：含丙酸乙酯的配方为11sec/gram、含丁酸甲酯的配方为24sec/gram、含丁酸乙酯的配方为26sec/gram、含碳酸二乙酯的配方为15sec/gram。对于常规仅含碳酸盐的电解质，易燃性级别为40-50sec/g，因此，含氟化溶剂(1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷)并且含阻燃剂(P14BETI和磷腈)有助于显著降低溶剂的易燃性。
然而，进行另外一系列试验以测定磷腈添加物对电解质易燃性的影响。除LiBETI和1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷外，这系列试验中所用的所有配方包括：以重量计45％的丙酸甲酯和以重量计5％重比的碳酸乙酯。两个不同环状磷腈采用不同的浓度。基础电解质(例如：不含任何磷腈的电解质)得出的SET值为24.5sec/gram。加入以重量计5％二环磷腈(基于溶液的重量包括以重量计50％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计45％的丙酸甲酯和以重量计5％的碳酸乙酯)将导致SET值变为24.5sec/gram和19.9sec/gram，当加入以重量计10％的相同二环磷腈将SET值分别减少至10.9sec/gram和16.8sec/gram。因此，当浓度接近以重量计10％时(除电解盐重量外)环状磷腈将发挥作用。
进行另外一系列试验以研究非氟化溶剂对电解质相容性的影响或，更具体地，对相分离的影响。不同非氟化溶剂被添加到溶液中，所述溶液包括LiBETI、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的P14BETI、以重量计10％的环状磷腈和30％的一种试验非氟化溶剂。在-18℃和-30℃时检查溶液的相分离情况。对于含丙酸乙酯的溶液，在-18℃和-30℃时均未观察到相分离。对含有丁酸甲酯、丁酸乙酯、和碳酸二乙酯的溶液观察到同样结果。然而，当添加入甲基乙基碳酸酯后，在-18℃和-30℃时电解质均出现相分离。
采用不同非氟化溶剂和阻燃添加剂评估电解质的电导率。用于电导率试验的所述非氟化溶剂与相分离试验中一样，例如：丙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯和碳酸二乙酯。将这些非氟化溶剂以重量比30％加入到基础溶液中，其包括以重量计50％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的P14BETI、以重量计10％的环状磷腈。此重比不包含电解盐的重量，该试验中LiBETI为0.8M。含丙酸乙酯的电解质溶液的电导率为2.2mS/cm，而含丁酸甲酯的溶液的电导率为2.0mS/cm。含有丁酸乙酯和碳酸二乙酯的溶液表现出较低电导率，例如，各自分别为1.66mS/cm和1.07mS/cm。
用于电导率试验的含阻燃添加剂的基础溶液包括：1.0M LiBETI、以重量计71％的甲氧基-非氟化丁烷、以重量计4％的碳酸乙烯、以重量计5％的P14TFSI、以重量计18％的乙酸甲酯和以重量计2％的碳酸亚乙烯酯。基础电解质的电导率(例如：不含任何阻燃添加剂的电解质)为3.77mS/cm。DMMP以不同的量添加到电解质中。在DMMP浓度估算中考虑了LiBETI。基础电解质可被视为1M LiBETI和以上所述溶剂。例如，加入5wt％DMMP意味着电解质配方由95％的基础电解质加上5％DMMP组成。以重量计含5％DMMP的电解质显示电导率为4.26mS/cm，以重量计含10％DMMP-5.43mS/cm和以重量计含15％DMMP-5.35mS/cm。
采用柱状电池和袋状电池进行循环寿命试验。18650型电池为柱状电池试验而创建的。这些电池的初始容量为约2.2Ah。所述电池采用锂镍钴锰氧化物构成(NCM)作为正极材料和石墨作为负极材料。所述电池充满含有以下成分的电解质：0.8M LiBETI、以重量计50％的甲氧基-非氟化丁烷、以重量计45％的丙酸甲酯和以重量计5％的碳酸乙烯。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯和以重量计10％的环状磷腈被加入到该混合物中。在这个实例中，所述基础电解质包含0.8M LiBeti、50％HFE、5％EC和45％MP。2％VC和10％磷腈被加入到88％所述基础电解质中。所述电池在不同的温度和终止电压下进行。这些电池在0.5C充电和0.5C放电率下从4.2V-3.0V循环。循环试验结果如下表所示。
表–柱状电池的容量下降值
温度/终止电压 4.0V 4.2V
20℃ <10％350次循环后 ～15％300次循环后
40℃ ～10％375次循环后 <10％250次循环后
60℃ ～20％375次循环后 <20％300次循环后
采用相同电极材料和电解质构成袋状电池。循环试验结果如下表所示。
表–柱状电池的容量下降值
温度/终止电压 4.0V 4.2V
20℃ <10％275次循环后 -
40℃ <10％190次循环后 <20％175次循环后
相比之下，充满以1M LiPF6EC:DMC:EMC 1:2:2比和2％VC的柱状NCM电池试验数据如下所示。
温度/终止电压 4.2V
20℃ ～10％300次循环后
40℃ ～10％250次循环后
60℃ ～10％300次循环后
对用钴酸锂(LCO)作为正极材料组装的袋状电池(pouch cells)进行一系列安全试验。采用四种电解质。所述第一种电解质包含0.8M LiBeti、以重量计55％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计30％的丙酸甲酯和以重量计10％的环状磷腈。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到混合物中。以重量计2％的VC被加入到以重量计98％的所述基础电解质中，所述基础电解质为55％HFE、5％EC、30％MP和10％磷腈。所述第二种电解质包含1.0M LiPF6和1:2重比的碳酸乙烯和碳酸二乙酯。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯和以重量计10％的环状磷腈被加入到混合物中。所述第三种电解质包含0.8M LiBeti、以重量计50％的3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计35％的丁酸乙酯和以重量计10％的环状磷腈。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到混合物中。所述第四种电解质包含0.8M LiBeti、以重量计65％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的甲基乙基碳酸酯、以重量计17.5％的丙酸乙酯和以重量计7.5％的环状磷腈。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到混合物中。
所述安全试验包括温升试验、过充电试验、击穿试验。这些试验结果如下表所示。
表–含LCO电极电池的安全试验结果
含有所述第四种电解质(0.8M LiBeti、以重量计65％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的甲基乙基碳酸酯、以重量计17.5％的丙酸乙酯和以重量计环状磷腈；以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到该混合物中)的NCM-石墨袋状电池的隔离装置采用不同放电率、单独地、不同温度进行循环试验。在大多情况下，所述电池在0.5C恒定电流下充电至约4.2V切断电压并且放电至2.5V。不同放电率试验的放电曲线参见图2。其中，曲线202对应于0.1C放电率，曲线204对应于0.2C放电率，曲线206对应于0.5放电率，曲线208对应于1C放电率，曲线210对应于2C放电率，曲线212对应于4C放电率和最后曲线214对应于5C放电率。这些放电率曲线清晰地显示所述第四种电解质具有高质量放电率能力。放电率显示该电池的放电效能很好并且足够用于很多应用，包括混合动力和全电动汽车。与充满以1M LiPF6/EC:DEC 1:2比基准配方和2％VC的所述电池不一样，这些电池通过了过充电试验而不产生火焰。在过充电试验中无限制条件。在高的热失控温度200℃时所述电池爆出火花和短闪光。充满以1MLiPF6/EC:DEC 1:2比和2％VC的电池在188℃时爆出火花和短闪光。在温升试验中没有限制条件。
不同温度试验的放电曲线如图3所示。具体地，曲线302对应+20℃、曲线304对应0℃、曲线306对应-10℃、曲线308对应-20℃、和曲线310对应-30℃。所述第四电解液在低温下表现良好，这反应其在低温时保持单相的能力。性能的降低是由于粘度增加，从而减少电池中的锂离子移动性。
另一个电解质配方包含：0.8M LiBeti溶液，以重量计HFE7600:EC:EP:磷腈70:5:15:10比和以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到电池中，该电池在不同放电率和不同温度下被测试。所述实验条件与上述试验相似。实验结果如图4和图5中所示。图4说明曲线402对应于0.1C放电率，曲线404对应于0.2C放电率，曲线406对应于0.5C放电率，曲线408对应于1C放电率，曲线410对应于2C放电率，曲线412对应于4C放电率和最后曲线414对应于5C放电率。这些放电曲线清楚地显示该电解质也具有良好高放电率能力。与充满以1M LiPF6/EC:DEC 1:2比基准配方和2％VC的电池不一样，这些电池通过过充电试验而没有产生火焰。温升试验执行时有铜板限制。所述电池显示无热失控并且无火花和火焰直至250℃。
不同温度下的放电结果如图5中所示。曲线502对应于+20℃、曲线504对应于0℃、曲线506对应于-10℃、曲线508对应于-20℃和曲线510对应于-30℃。在低温时所述电解质性能良好但不如，例如，所述的第四种电解质(0.8M LiBeti、以重量计65％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的甲基乙基碳酸酯、以重量计17.5％的丙酸乙酯、和以重量计7.5％的环状磷腈；以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到混合物中)。然而，事实上所述电池维持显示至少0.75Ah容量甚至在-30℃电解质维持在基本相同电位时。
对用锂镍钴锰(NCM)氧化物作为正极材料组装的袋状电池(pouch cells)进行另一系列安全试验。采用了四种不同电解质。所述第一种电解质包括0.8M LiBeti、以重量计55％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷和以重量计45％的丙酸甲酯。以重量计10％的环状磷腈和以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入到混合物中。所述第二种电解质包括0.8M LiBeti、以重量计50％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计5％的碳酸乙烯、以重量计5％的P14Beti离子液体、以重量计30％的丙酸甲酯和以重量计10％的环状磷腈。所述第三种电解质包括1.0M LiPF6混合入以1:2重量比的碳酸乙烯和碳酸二乙酯。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯被加入该混合物中。所述第四种电解质包括0.8M LiBeti、以重量计32.5％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计32.5％的1,1,1,2,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷、以重量计4.5％的碳酸乙烯、以重量计5％的甲基乙基碳酸酯、以重量计17.5％的丙酸乙酯、以重量计7.5％的环状磷腈和0.5％的六甲基二硅烷(HMDS)。以重量计2％的碳酸亚乙烯酯也被加入到该混合物中。这些试验的结果如下表中所述。
表–含NCM电极电池的安全试验结果
这些安全试验结果显示，至少用氟化溶剂部分取代非氟化溶剂可提高电池的安全性能。例如，含氟化溶剂的所述NCM电池在过充电试验中不产生任何火焰。在测试条件下所述电池显示良好的安全性能。
含所述第一种电解质(例如：0.8M LiBeti、以重量计55％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷和以重量计45％的丙酸甲酯，并且以重量计10％的环状磷腈和以重量计2％的碳酸亚乙烯酯加入到该混合物中)的所述电池在三种不同温度下的循环试验数据如图6切断电压为4.2V和图7切断电压为4.0V所示。特别地，在20℃上至4.0V条件下循环1000次后所述电池仍保持它的容量的80％以上。含该电解质的电池也在不同放电率下进行试验，其结果如图8所示。曲线802表示放电率为0.1C，曲线804表示放电率为0.2C，曲线806表示放电率为0.5C，曲线808表示放电率为1C，曲线810表示放电率为2C。在高放电率情况下所述电池性能相对良好。
含有所述第四种电解质(0.8M LiBeti、以重量计32.5％的1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、以重量计32.5％的1,1,1,2,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷、以重量计4.5％的碳酸乙烯、以重量计5％的甲基乙基碳酸酯、以重量计17.5％的丙酸乙酯、以重量计7.5％的环状磷腈、并且加入以重量计0.5％的六甲基二硅烷(HMDS)和以重量计2％的碳酸亚乙烯酯)的所述电池在三种不同温度下的循环试验数据如图9所示。在20℃和40℃约500次循环后电池仍保持它的容量的80％以上。含此电解质的电池也在不同放电率下进行试验，其结果如图10所示。曲线1002表示放电率为0.1C，曲线1004表示放电率为0.2C，曲线1006表示放电率为2C。在放电率高的情况下所述电池性能相对良好。
结论
尽管上述概念已经在某些细节上进行描述以便于清晰地理解，明显地某些变化和更改可被以用于在附加权利要求的范围内。应指出的是有许多可选择的方法去实现该过程、系统和设备。因此，本发明实施方案仅被用于说明性目的而非限制性。

Claims (20)

1.一种用于电化学电池的电解质，包括：
电解盐，包含至少一个碳原子和至少两个氟原子并且选自：
i)通式为LiPFxR1-x的氟代烷基LiPF6盐，其中，x为1至5并且其中至少一个R原子为链长度为1至8的氟烷基；
ii)通式为LiBFxR1-x的氟代烷基LiBF4盐，其中，x为1至4并且其中至少有一个R原子为链长为1至8的氟烷基；
iii)通式为LiN(-SO2-R)2的线性亚胺盐，其中，至少一个R为链长度为1至8的氟烷基；
iv)通式为LiN(-SO2-R-)的环状酰亚胺盐，其中，R为链长度为1至8的氟烷基；
v)通式为LiC(-SO2-R)3的甲基化物盐，其中，至少一个R为链长为1至8的氟烷基；
氟化溶剂，以重量计的所述氟化溶剂的浓度为除所述电解盐重量外约30％至80％，其中所述氟化溶剂通式为CxFyHzOi，其中x为3至15的整数，y为1至30的整数，z为0至15的整数，i为1至15的整数；并且
非氟化溶剂，选自：酯、醚和碳酸盐，
其中，在温度范围-30℃至80℃内电解质为一相溶液。
2.如权利要求1所述的电解质，其中，氟化溶剂选自：氟醚、氟脂和含氟脂。
3.如权利要求1所述的电解质，其中，氟化溶剂选自：1-七氟甲氧基丙烷、九氟丁基甲基醚、九氟丁基乙基醚、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-(三氟甲基)-戊烷、3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷和1,1,1,2,3,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)-戊烷。
4.如权利要求1所述的电解质，其中，以重量计的氟化溶剂的浓度为除电解盐的重量外约50％至75％。
5.如权利要求1所述的电解质，其中，氟化溶剂包括1,1,1,2,3,3-六氟-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙烷)-戊烷。
6.如权利要求1所述的电解质，其中，氟化溶剂包括3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷。
7.如权利要求6中所述的电解质，其中，电解盐包括LiN(SO2CF2CF3)2。
8.如权利要求1中所述的电解质，其中，电解盐选自：LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(SO2CF3)2和LiN(SO2F)2。
9.如权利要求1中所述的电解质，其中，非氟化溶剂选自：碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、甲基乙基碳酸酯、碳酸甲丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯和丁酸乙酯。
10.如权利要求1中所述的电解质，其中，非氟化溶剂的动态粘度范围为0.3cP至2.0cP。
11.如权利要求1中所述的电解质，其中，电解质的电导率范围为约0.1mS至约10mS。
12.如权利要求1中所述的电解质，进一步，包括阻燃添加剂，以重量计所述阻燃添加剂的浓度范围为约1％至约10％。
13.如权利要求12中所述的电解质，其中，阻燃添加剂包括选自磷酸盐、磷酸酯、膦和磷腈的一个或多个材料。
14.如权利要求12中所述的电解质，其中，阻燃添加剂包括P3N3Fx(OR)6-x，其中R为碳原子数为1至2的烷基，或者R为芳烃，并且其中x为1至6。
15.如权利要求12中所述的电解质，其中，阻燃添加剂包括一个环状磷腈。
16.如权利要求1中所述的电解质，进一步，包括一个离子液体，其中以重量计的离子液体的浓度范围为约1％至约25％。
17.如权利要求16中所述的电解质，其中，离子液体包括选自吡啶、哌啶、咪唑和磷离子液体的一个或多个材料。
18.如权利要求1中所述的电解质，其中，氟化溶剂的动态粘度范围为约0.3cP至约5.0cP。
19.用于电化学电池的电解质，所述电解质包括：
LiN(SO2CF2CF3)2，其浓度为约0.6M至2M，
3-乙氧基-1,1,1,2,3,4,4,5,5,6,6,6-十二氟-2-三氟甲基-己烷，其以重量计的浓度为除电解盐重量外约60％至80％；和
丁酸乙酯，其以重量计的浓度为除电解盐重量外约10％至30％；和
环状磷腈，其的以重量计浓度为除电解盐重量外约5％至15％。
20.电化学电池包括：
正极；
负极；
电解质，在正极和负极之间提供离子交换并包括：
电解盐，包括至少一个碳原子和至少两个氟原子并且选自：
i)通式为LiPFxR1-x的氟代烷基LiPF6盐，其中，x为1至5并且其中至少一个R为链长为1至8的氟烷基；
ii)通式为LiBFxR1-x的氟代烷基LiBF4盐，其中，x为1至4并且其中至少一个R为链长为1至8的氟烷基；
iii)通式为LiN(-SO2-R)2的线性亚胺盐，其中，至少一个R为链长为1至8的氟烷基；
iv)通式为LiN(-SO2-R-)的环状酰亚胺盐，其中，R为链长为1至8的氟烷基；和
v)甲基化物盐的基本结构LiC(-SO2-R)3，其中，至少一个R为链长为1至8的氟烷基；
氟化溶剂，以重量计的所述氟化溶剂的浓度为除所述电解盐重量外约30％至80％，其中所述氟化溶剂通式为CxFyHzOi，其中x为3至15的整数，y为1至30的整数，z为0至15的整数，i为1至15的整数；并且
非氟化溶剂，选自：酯、醚和碳酸盐，
其中，在温度范围-30℃至80℃内电解质为一相溶液。
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