CN108899583B - 用于含硅电极的电解质体系 - Google Patents

用于含硅电极的电解质体系 Download PDF

Info

Publication number
CN108899583B
CN108899583B CN201810320270.9A CN201810320270A CN108899583B CN 108899583 B CN108899583 B CN 108899583B CN 201810320270 A CN201810320270 A CN 201810320270A CN 108899583 B CN108899583 B CN 108899583B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbonate
equal
electrolyte system
lithium
electrochemical cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810320270.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108899583A (zh
Inventor
杨黎
M·蔡
P·卢
戴放
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN108899583A publication Critical patent/CN108899583A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108899583B publication Critical patent/CN108899583B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0034—Fluorinated solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • H01M2300/004—Three solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • H01M2300/0042—Four or more solvents
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

提供了循环锂离子的电化学电池。电化学电池具有电极和电解质体系，该电极包括在电化学电池的循环期间经历体积膨胀和收缩的含硅电活性材料；该电解质体系促进在含硅电活性材料的一个或多个暴露表面区域上被动地形成包含氟化锂‑聚合物复合物的柔性保护层。电解质体系包括锂盐、至少一种环状碳酸酯以及两种或多种直链碳酸酯。该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是含氟化碳酸酯的共溶剂。电解质体系适应含硅电活性材料的体积膨胀和收缩，从而促进了长期循环稳定性。

Description

用于含硅电极的电解质体系
背景技术
本部分提供了与本公开相关联的但并不一定是现有技术的背景信息。
本公开涉及一种具有电解质体系的电化学电池，在电极掺入了含硅电活性材料的情况下，该电解质体系例如通过促进在含硅电活性材料的一个或多个暴露表面区域上被动地形成柔性保护层来改善性能。
高能量密度的电化学电池单元(比如锂离子电池)可以用在各种消费类产品和车辆中，例如混合动力车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池包括第一电极(如阴极)、第二电极(如阳极)、电解质材料以及隔膜。通常，对锂离子电池单元堆进行电连接，以增加整体输出。传统的锂离子电池通过在负电极与正电极之间可逆地传导锂离子而工作。隔膜和电解质设置在负电极与正电极之间。电解质适于传导锂离子，并且可以呈固态或液态形式。在电池充电期间，锂离子从阴极(正电极)移动到阳极(负电极)，并在电池放电时反向移动。
阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间形成电势。当电极之间的外部电路中产生了电子电流时，通过电池单元内的电化学反应来维持电势。电池堆内的负电极和正电极中的每一个均连接于集电器(通常为金属，比如用于阳极的铜和用于阴极的铝)。在电池使用期间，与两个电极相关联的集电器通过外部电路相连，该外部电路使得电子所产生的电流在电极之间通过，由此补偿锂离子的传输。
可以使用许多不同的材料来制造锂离子电池的部件。作为非限制性实例，锂电池的阴极材料通常包含可以嵌入锂离子的电活性材料，比如，锂-过渡金属氧化物或尖晶石类型的混合氧化物(例如包括尖晶石LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi(1-x-y)CoxMyO2(其中，0＜x＜1，y＜1，并且M可以是Al、Mn等))或磷酸铁锂。电解质通常含有一种或多种锂盐，这些锂盐可以在非水溶剂中被溶解和离子化。负电极通常包括锂嵌入材料或合金基质材料。例如，用于形成阳极的典型电活性材料包括锂石墨插嵌/合金化合物、锂硅插嵌/合金化合物、锂锡插嵌/合金化合物、锂合金。
某些阳极材料具有独特的优点。尽管石墨化合物是最常见的，但是近年来，具有高比容量(与传统石墨相比)的阳极材料日益受到关注。比如，硅对于锂具有最高已知理论充电容量，使其成为可充电锂离子电池的特别有前景的材料。然而，包含硅的现有阳极材料具有明显的缺陷。在锂合金化/脱合金和插入/提取(例如，插嵌/脱嵌)期间，含硅材料的较大体积变化(比如体积膨胀/收缩)可以导致阳极的物理性损坏，包括褶皱、破裂或断裂。因此，这种体积上的膨胀可能导致电接触和电极活性的丢失。在商业上可行的含硅电极所需的负载密度水平下，情况尤其是如此。另外，固体电解质界面(SEI)层的形成可以形成在活性材料表面上，并导致连续的电解质消耗和锂离子损失，这可以导致锂离子电池中不可逆的容量衰减。因此，在包含硅的阳极的插嵌/合金化期间发生的较大体积膨胀可以导致电化学循环性能的衰弱、库仑充电容量的减小(容量衰减)以及极其受限的短循环寿命。
人们期望开发出克服了阻碍含硅电极材料的广泛性商业应用(特别是在车辆应用中)这一当前缺陷的且能在高能锂离子电池中使用的材料。为了实现长期且高效的使用，含硅阳极材料应该能够实现最小的容量衰减和最大的充电容量，以便使锂离子电池得以长时间地使用。
发明内容
本部分提供了本公开的一般性概述，并不全面地公开其整个范围或其所有特征。
在各个方面，本公开提供了一种循环锂离子的示例性电化学电池。电化学电池可以包括包含电活性材料的电极，该电活性材料在电化学电池的循环期间经历体积膨胀和收缩。电化学电池还可以包括电解质体系，该电解质体系促进在电活性材料的一个或多个暴露表面区域上被动地形成包含氟化锂(LiF)-聚合物复合物的柔性保护性固体电解质界面(SEI)层。电活性材料可以是含硅电活性材料。电解质体系可以包括锂盐、一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂以及两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂。该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是含氟化碳酸酯的共溶剂。电解质体系可以适应电活性材料的体积膨胀和收缩，从而促进长期循环稳定性。
在一个变型中，电解质体系的含环状碳酸酯的共溶剂可以以大于或等于约1体积百分比至小于或等于约50体积百分比的量存在。
在一个变型中，电解质体系的含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以以大于或等于约2体积百分比至小于或等于约90体积百分比的量存在。
在一个变型中，电解质体系的一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂中的一种可以是氟代碳酸亚乙酯(FEC)。
在一个变型中，电解质体系的含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以选自：2，2，2-三氟乙基碳酸甲酯；2，2，2-三氟乙基碳酸乙酯；双(2，2-二氟乙基)碳酸酯；2，2-二氟乙基-2，2，2-三氟乙基碳酸酯；2，2-二氟乙基六氟异丙基碳酸酯；双(2，2，2-三氟乙基)碳酸酯；2，2，3，3，3-五氟丙基-2，2，2-三氟乙基碳酸酯；2，2-二氟乙基碳酸乙酯(2F-DEC)；2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)；及其组合。
在一个变型中，电解质体系的含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以是2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)。
在一个变型中，电解质体系可以包括另外的直链碳酸酯，使得两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种选自：碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)及其组合。
在一个变型中，电解质体系可以包括选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)及其组合的另外的含环状碳酸酯的共溶剂。
在一个变型中，电解质体系包括大于或等于约1体积百分比至小于或等于约50体积百分比的氟代碳酸亚乙酯(FEC)、大于或等于约2体积百分比至小于或等于约90体积百分比的2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)、以及作为余量的大于或等于约1体积百分比至小于或等于约98体积百分比的含直链碳酸酯的共溶剂和含环状碳酸酯的共溶剂。
在一个变型中，电解质体系的一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂中的至少一种包括氟代碳酸亚乙酯(FEC)，含直链氟化碳酸酯的共溶剂包括2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)，并且两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的剩余含直链碳酸酯的共溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)。
在一个其他变型中，氟代碳酸亚乙酯(FEC)、2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)和碳酸二甲酯(DMC)可以以约1∶2∶2的体积比存在。
在一个变型中，锂盐可以包括六氟磷酸锂(LiPF6)。
在一个变型中，电极可以包括含硅电活性材料。
在一个变型中，电极的含硅电活性材料可以经历大于或等于约300％的体积膨胀和收缩。
在一个变型中，电极可以包括SiOx，其中0≤x≤2。
在一个变型中，由电解质体系促进的柔性SEI保护层可以具有大于或等于约1nm至小于或等于约100nm的厚度。
在一个变型中，电解质体系可以基本上避免在小于或等于约30℃的温度下发生沉淀。
在一个变型中，电解质体系可以在约30℃下具有大于或等于约0.5mS/cm的离子电导率。
在其他方面，本公开提供了另一种循环锂离子的示例性电化学电池。电化学电池可以包括包含正锂基电活性材料的正电极、隔膜、以及包含负含硅电活性材料的负电极。电化学电池可以进一步包括电解质体系，该电解质体系促进被动地形成包含氟化锂(LiF)-聚合物复合物的柔性固体电解质界面(SEI)保护层。柔性SEI保护层可以在负含硅电活性材料的一个或多个暴露表面区域上形成。电解质体系可以包括锂盐和共溶剂：氟代碳酸亚乙酯(FEC)和2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)。
在一个变型中，电解质体系可以包括选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)及其组合的另外的含环状碳酸酯的共溶剂。
在一个变型中，电解质体系可以包括选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)及其组合的另外的含直链碳酸酯的共溶剂。
在一个变型中，氟代碳酸亚乙酯(FEC)、2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)和另外的含直链碳酸酯的共溶剂可以以约1∶2∶2的体积比存在。
在一个变型中，电极可以包括SiOx，其中0≤x≤2。
从本文所提供的描述中可以得知其他应用领域。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文所述的附图仅用于对所选实施例进行说明的目的而并非是所有可能的实施方式，同时并不旨在限制本公开的范围。
图1是示例性电化学电池单元的示意图；
图2是示出了比较示例性电化学电池的比容量的图表；以及
图3是示出了比较示例性电化学电池的比容量的图表。
在附图部分的若干视图中，相应的附图标记都指代相应的部分。
具体实施方式
提供了示例性实施例，以便彻底理解本公开，并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。阐述了许多具体细节，比如具体的成分、部件、设备和方法的示例，以便提供对本公开的实施例的彻底理解。本领域的技术人员将会明白，无需采用具体细节，示例性实施例可以用许多不同的形式来体现，且这两者均不应该解释为对本公开的范围的限制。在一些示例性实施例中，已知的工艺、已知的设备结构以及已知的技术并未进行详细描述。
本文所用的术语仅是用于描述特定的示例性实施例，并不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该”可以旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含”和“具有”是包括性的，因此表明所述特征、元件、成分、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组群的存在或增加。尽管开放式术语“包含”被理解为用于描述和声明本文所述的各种实施例的非限定性术语，但是，在某些方面，该术语可以可选地理解为更加限定和限制的术语，比如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于描述成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的任何指定实施例，本公开还具体包括由或基本上由这种所述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由……组成”的情况下，替代实施例不包括任何其他成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，对基本和新颖特性产生实质性影响的任何其他成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤被排除在这种实施例以外，但对基本和新颖特性无实质性影响的任何成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤被包括在实施例内。
本文所述的任何方法步骤、工艺和操作不应被理解为需要以所讨论或所示的特定顺序进行执行，除非特别标明执行顺序。还应该认识到，可以采用其他或替代步骤，除非另有指示。
当某个部件、元件或层被称为“在……之上”、“接合于”、“连接至”或“联接至”另一个元件或层，其可能直接在其他部件、元件或层之上，或接合于、连接至或联接至其他部件、元件或层，或者可能存在中间元件或中间层。相反，当一个元件被称为“直接在……上面”、“直接接合于”、“直接连接至”、或“直接联接至”另一个元件或层，则不存在中间元件或中间层。用于描述元件之间关系的其他词语应该用类似的方式来解释(比如“在……之间”相对于“直接在……之间”、“毗邻”相对于“直接毗邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括相关联的所列项目的一个或多个的任意和所有组合。
尽管本文中可以用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是，这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制，除非另有指示。这些术语可以仅用于对一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部分进行区分。当在本文中使用诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其他数字术语时，并不暗含顺序或次序，除非上下文中明确指示。因此，在不背离本示例性实施例的教导内容的前提下，以下所述的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，空间上或时间上相对的术语，比如“在……之前”、“在……之后”、“内”、“外”、“下面”、“以下”、“下”“上面”、“上”等，可以在本文中用于描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中所示的朝向外，空间上或时间上相对的术语可以旨在包括使用或操作中的不同朝向的设备或系统。
在本公开的整个内容中，数值表示范围的近似测量值或限值，以包括对给定数值、以及具有与所述数值相近的实施例、以及具有与所述数值完全相同的那些实施例的轻微背离。本说明书(包括所附的权利要求书)中的参数的所有数值(比如数量或条件)被理解为在一切情况下被术语“大约”修饰，而不论词语“约”是否出现在该数值的前面，但具体实施方式结尾处提供的即用示例中的除外。“约”表示所述的数值允许有一些轻微的不精确(一定程度上接近数值的精确度；近似地或相当地接近数值；大概地)。如果由“约”提供的不精确在本领域中不以其他方式做此普通意义的理解，那么本文中所用的“约”表明了至少测量和使用这种参数的普通方法可能引起的变化。例如，“约”可以包含少于或等于5％的变化、任选地少于或等于4％、任选地少于或等于3％、任选地少于或等于2％、任选地少于或等于1％、任选地少于或等于0.5％、以及在某些方面中、任选地少于或等于0.1％。
另外，范围的公开包括所有数值和整个范围内进一步细分范围的公开，其中包括所述范围指定的端值和子范围。
现在将参照附图更详细地描述示例性实施例。
图1中示出了循环锂离子的电化学电池(例如，锂离子电池)20的示例性图示。锂离子电池20包括负电极22、正电极24以及设置在两个电极22、24之间的隔膜26(如微孔聚合物隔膜)。负电极集电器32可以位于负电极22处或附近。正电极集电器34可以位于正电极24处或附近。负电极集电器32和正电极集电器34分别对自由电子进行收集，并将自由电子移动到外部电路40和从外部电路40移动自由电子。可中断外部电路40和负载42将负电极22(通过其集电器32)和正电极24(通过其集电器34)连接起来。负电极22、正电极24和隔膜26中的每一个均可以进一步包含能够传导锂离子的电解质体系30。
隔膜26通过被夹在负电极22与正电极24之间而用作电绝缘子和机械支撑，以防止出现物理接触并进而防止短路的发生。除了在两个电极22、24之间提供物理屏障之外，隔膜26还为锂离子(以及相关的阴离子)的内部通道提供阻力最小的路径，以便于锂离子电池20正常发挥作用。
当负电极22含有相对较大量的插嵌锂离子时，借助于在外部电路40闭合(以连接负电极22和正电极24)时发生的可逆电化学反应，锂离子电池20可以在放电期间产生电流。正电极24与负电极22之间的化学势差驱动在负电极22处插嵌锂离子氧化所产生的电子通过外部电路40朝向正电极24。也在负电极处产生的锂离子同时通过电解质体系30和隔膜26朝向正电极24转移。电子流经外部电路40，并且锂离子在电解质体系30中迁移穿过隔膜26，以在正电极24处形成插嵌锂离子。通过外部电路18的电流可以被利用并流过负载设备42，直到负电极22中的插嵌锂离子耗尽且锂离子电池20的容量减小为止。
通过将外部电源与锂离子电池20相连，使电池放电期间发生的电化学反应逆向，从而可以随时对锂离子电池20进行充电或再供电。将外部电源连接到锂离子电池20有利于正电极24处插嵌锂离子以其他方式的非自发氧化，进而产生电子和锂离子。电子经过外部电路40朝向负电极22流回，锂离子被电解质体系30携带穿过隔膜26朝向负电极22流回，电子和锂离子在负电极22处重新结合，并补充下一个电池放电循环期间消耗的插嵌锂离子。可以用于对锂离子电池20进行充电的外部电源可以根据锂离子电池20的尺寸、构造和特定最终用途而变化。一些显著的示例性的外部电源包括但不限于交流壁装插座和机动车交流发电机。
在许多锂离子电池的配置中，负集电器32、负电极22、隔膜26、正电极24和正集电器34中的每一个均被制备成相对较薄层(比如，厚度为几微米或一毫米或以下)，并以电平行排列方式连接成多层进行组装，以提供适当的能量包。
此外，锂离子电池20可以包括各种其他部件(未示出)。例如，作为非限制性示例，锂离子电池20可以包括壳体、垫片、接线柱帽以及可以位于锂离子电池20内(包括在负电极22、正电极24和/或隔膜26之间或周围)的任何其他常规的部件或材料。如上所述，锂离子电池20的尺寸和形状可以根据其特定设计应用而变化。例如，电池供能车辆和手持式消费者电子设备是两个示例，其中锂离子电池20将更可能被设计成不同的尺寸、容量和功率输出规格。如果负载设备42需要，则锂离子电池20还可以与其他类似的锂离子电池单元或电池串联或并联，以形成更大的电压输出和功率密度。
因此，锂离子电池20可以产生用于可操作地连接到外部电路40的负载设备42的电流。当锂离子电池20放电时，负载设备42可以完全或部分地由通过外部电路40的电流供电。虽然负载设备42可以是任何数量的已知电动装置，但是，作为非限制性示例，耗电负载设备的几个具体示例包括用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机、笔记本电脑、平板电脑、蜂窝电话和无绳电动工具或电器。负载设备42还可以是为了储能而对锂离子电池20充电的发电装置。
在各种情况下，隔膜26可以包含微孔聚合物隔膜，该微孔聚合物隔膜包含聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体组分)或杂聚物(衍生自一种以上的单体组分)，两者可以是直链的或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体组分，则聚烯烃可以采取任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果聚烯烃是衍生自两种以上的单体组分的杂聚物，则其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PE和PP的共混物。在各种情况下，隔膜26可以包括增强锂离子电池20的安全性的陶瓷涂层。陶瓷涂层可以包含氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或其组合。
当是微孔聚合物隔膜时，隔膜26可以是单层或多层的层压体，该层压体可以通过干法或湿法工艺制造。例如，在某些情况下，单层聚烯烃可形成整个微孔聚合物隔膜26。在其他方面，隔膜26可以是纤维状薄膜，该纤维状薄膜具有大量在相对表面之间延伸的孔，并且可以具有例如小于一毫米的厚度。然而，作为另一个示例，可以组装相似或不同聚烯烃的多个不连续层，以形成微孔聚合物隔膜26。除了聚烯烃之外，微孔聚合物隔膜26还可以包含其他聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或聚酰胺。在微孔聚合物隔膜26中可以进一步包括聚烯烃层和任何其他任选的聚合物层作为纤维层，以便有助于为微孔聚合物隔膜26提供合适的结构和孔隙率特性。可以想到用于形成隔膜26的各种可用的聚合物和商业产品，以及可以用于生产这种微孔聚合物隔膜26的许多制造方法。
在各种情况下，正电极24可以由任何锂基活性材料形成，该锂基活性材料可以充分地经过锂插嵌和脱嵌，同时用作锂离子电池20的正电极端子。正电极24可以包括聚合物粘合剂材料，以便在结构上增强锂基活性材料。
可以用来形成正电极24的一类示例性常用已知材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，在某些情况下，正电极24可以包含至少一种尖晶石，如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn(2-x)O4，其中0≤x≤1)(例如，LiMn2O4)；锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4，其中0≤x≤1)(例如，LiMn1.5Ni0.5O4)；锂钴氧化物(LiCoO2)；锂锰氧化物(LiMn2O4)；锂镍氧化物(LiNiO2)；锂镍锰钴氧化物(Li(NixMnyCoz)O2，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z＝1)；锂镍钴金属氧化物(LiNi(1-x-y)CoxMyO2，其中0＜x＜1，y＜1且M可以是Al、Mn等)；锂过渡金属氧化物或混合氧化物磷酸铁锂；或锂铁聚阴离子氧化物(例如，磷酸铁锂(LiFePO4)或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F))。
也可以使用各种其他已知的锂基活性材料。作为非限制性示例，替代材料可以包括锂镍氧化物(LiNiO2)、锂铝锰氧化物(LixAlyMn1-yO2)和锂钒氧化物(LiV2O5)。在某些变型中，正电极24包含尖晶石中的至少一种，如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn(2-x)O4)、锂锰镍氧化物(LiMn(2x)NixO4，其中0≤x≤1)、锂锰镍钴氧化物(例如，LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2)或磷酸锂铁(LiFePO6)。
正电极24还可以包括有助于电子在正电极24中的移动的导电材料。例如，可以使用石墨、碳基材料或导电性聚合物。作为非限制性示例，碳基材料可包括科琴炭黑、登卡炭黑、乙炔炭黑、炭黑等。导电性聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可以使用导电性材料的混合物。
正电极24还可以包括聚合物粘合剂，以形成复合电极。因此，活性材料和可选的导电材料可以与至少一种聚合物粘合剂混合，例如通过用诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧基甲氧基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)或其组合等这种粘合剂来浆料浇铸活性材料。
正电极集电器34可以包括选自金(Au)、铅(Pb)、铌(Nb)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、钒(V)、锡(Sn)、铝(Al)、铜(Cu)、钽(Ta)、镍(Ni)、铁(Fe)及其组合的化合物。作为非限制性示例，正电极集电器34可以是连续层(例如箔)，或者可以是格栅或网格。
在各种情况下，负电极22包括电活性材料，该电活性材料作为能够用作锂离子电池的负电极端子的锂主体材料。因此，负电极22可以包括电活性锂主体材料和可选的另一种导电材料，以及一种或多种聚合物粘合剂材料，以便在结构上将锂主体材料保持在一起。在各种情况下，负电极22可以包括含石墨电活性材料。
在各种情况下，负电极22可以包括在电化学电池20的循环期间经历大量(例如，大于或等于约300％)体积膨胀和收缩的电活性材料。在某些变型中，这样的电活性材料可以包括选自硅(Si)、锡(Sn)、锗(Ge)、铋(Bi)、锌(Zn)、碲(Te)、铅(Pb)、镓(Ga)、铝(Al)、砷(As)、锂(Li)、合金、氧化物及其组合的化合物。如所述的，在某些变型中，负电极22可以包括在电化学电池20的循环期间经历大于或等于约300％的体积膨胀和收缩的电活性材料。在其他变型中，负电极22可以包括在电化学电池20的循环期间经历大于或等于约100％的体积膨胀和收缩的电活性材料。
作为示例，在某些情况下，负电极22可以包括含硅电活性材料。在电化学电池20的循环期间，含硅电活性材料经历相当大的体积膨胀和收缩。示例性的含硅电活性材料包括含锂硅和硅的二元和三元合金，例如Si-Sn；SiSnFe；SiSnAl；SiFeCo；SiOx，其中0≤x≤2；等等。
负电极22还可以包括有助于电子在负电极22中移动的导电材料。可以使用石墨、碳基材料或导电性聚合物。作为非限制性示例，碳基材料可包括科琴炭黑、登卡炭黑、乙炔炭黑、炭黑等。导电性聚合物的示例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可以使用导电性材料的混合物。
包含负电极22的电活性材料可以与至少一种聚合物粘合剂混合，例如通过用诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶、羧基甲氧基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)或其组合等这种粘合剂来对活性材料实施浆料浇铸。
负电极22可以包含大于或等于约0质量％至小于或等于约95质量％的含石墨电活性材料。负电极22可以包含大于或等于约0质量％至小于或等于约90质量％的含硅电活性材料。负电极22可以包含大于或等于约0质量％至小于或等于约30质量％的导电性材料以及大于或等于约0质量％至小于或等于约30质量％的粘合剂。
负电极集电器32可以包括选自金(Au)、铅(Pb)、铌(Nb)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、钒(V)、锡(Sn)、铝(Al)、铜(Cu)、钽(Ta)、镍(Ni)、铁(Fe)及其组合的化合物。作为非限制性示例，负电极集电器32可以是连续层(例如箔)，或者可以是格栅或网格。
负电极22、正电极24和隔膜26中的每一个均可以包括能够传导锂离子的电解质体系30。具体地，电解质体系30可以能够在负电极22与正电极24之间传导锂离子。如下面进一步讨论的，电解质体系30可以含有至少一种锂盐。在各个方面，电解质体系30促进柔性保护层(未示出)的被动形成。柔性保护层可以是柔性固体电解质界面(SEI)保护层。保护层可以包含在包含负电极22的电活性材料的一个或多个暴露表面区域上的氟化锂(LiF)-聚合物复合物。在某些情况下，氟化锂(LiF)-聚合物复合物可以用作锂离子传导介质。在某些情况下，氟化锂(LiF)-聚合物复合物的聚合物可以是多烯聚合物。
“柔性”是指保护层可以在不出现损坏、断裂和电解质的大量消耗的前提下适应在电化学电池20的长期循环(例如，大于200次锂化-脱锂循环)期间负电极22中的电活性材料(例如，含硅电活性材料)的体积膨胀和收缩。在某些情况下，设置在电活性材料的一个或多个暴露表面区域上的柔性保护层具有大于或等于约1nm至小于或等于约100nm的厚度。在各个方面，如本文所述，柔性保护层在长期使用电化学电池的过程中避免负电极22与液体电解质发生反应。
如上所述，许多锂离子电池可能因为许多因素的影响而出现容量衰减，这些因素包括在负电极(阳极)表面上形成被称为固体电解质界面(SEI)层的钝化膜(其通常由阳极材料的反应产物产生)、电解质还原和/或锂离子还原。SEI层的形成在确定电极行为和特性(包括循环寿命和不可逆的容量损失)方面起着重要作用。例如，在锂插入/提取(例如，插嵌/合金化和脱嵌/脱合金-插嵌/合金化)期间，含硅材料的较大体积变化(例如，体积膨胀/收缩超过300％)可能导致在含硅电活性材料上形成SEI层，这种形成行为可以造成连续的电解质消耗和锂离子损失，而这在重复循环期间可以引发锂离子电池中的不可逆的容量衰减。
由本公开的电解质体系30促进的被动形成的柔性SEI保护层最小化或防止了连续的电解质消耗和锂离子损失，从而最小化或防止了电化学电池中的电荷容量损失，并促进了长期循环稳定性。柔性SEI保护层可以包含氟化锂(LiF)-聚合物复合物层，此层尤其在电活性材料(例如硅)的体积膨胀/收缩期间改善循环性能。在某些情况下，柔性SEI保护层可以在小于或等于约-15℃的温度下改善稳健性。在某些情况下，柔性SEI保护层可以在小于或等于约-30℃的温度下改善稳健性。
虽然某些电解质体系已表现出良好的循环性能，但它们却经常遇到较窄的温度操作范围。因此，电解质体系在室温下可以很好地发挥作用，但是由于共溶剂可以从溶液中发生沉淀，因而这种电解质制剂的低温性能也是一个问题。在例如低于约-15℃的低温下，当一种或多种溶剂从溶液中沉淀出去时，电解质的电导率可因此发生急剧下降。然而，由本公开的某些方面提供的电解质体系30即使在低温下也提供了良好的循环性能和电解质电导率，同时还通过促进形成可以最小化或避免不良SEI反应和电解质消耗的柔性SEI保护层来稳定电活性材料，以便实现长期耐用性。
促进被动地形成包含氟化锂(LiF)-聚合物复合物的柔性SEI保护层的电解质体系30包括溶解在一种或多种溶剂中的一种或多种锂盐。仅举例而言，锂盐可以选自六氟磷酸锂(LiPF6)；高氯酸锂(LiClO4)；四氯铝酸锂(LiAlCl4)；碘化锂(LiI)；溴化锂(LiBr)；硫氰酸锂(LiSCN)；四氟硼酸锂(LiBF4)；四苯硼酸锂(LiB(C6H5)4)；六氟砷酸锂(LiAsF6)；三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3)；LiN(FSO2)2(LIFSI)；双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐(LiN(CF3SO2)2)；双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(C2F6LiNO4S2)；LiB(C2O4)2(LiBOB)；LiBF2(C2O4)(LiODFB)；LiPF4(C2O4)(LiFOP)；LiNO3；及其组合。在某些变型中，锂盐可以是六氟磷酸锂(LiPF6)。该一种或多种锂盐可以以电解质体系30的大于或等于约10质量％至小于或等于约20质量％的量存在。
在某些变型中，溶剂包括一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂以及两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂，其中该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是含氟化碳酸酯的共溶剂。该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是包含氟的含直链氟化碳酸酯的共溶剂。
该至少一种含环状碳酸酯的共溶剂可以是氟代碳酸亚乙酯(FEC)。含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以是连接有氟(F)原子的含非环状直链有机碳酸酯的化合物。例如，含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以是2，2，2-三氟乙基碳酸甲酯；2，2，2-三氟乙基碳酸乙酯；双(2，2-二氟乙基)碳酸酯；2，2-二氟2，2，2-三氟乙基碳酸乙酯；2，2-二氟乙基六氟异丙基碳酸酯；双(2，2，2-三氟乙基)碳酸酯；2，2，3，3，3-五氟丙基2，2，2-三氟乙基碳酸酯；2，2-二氟乙基碳酸乙酯(2F-DEC)；2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)；或其组合。在某些变型中，含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以是2，2-二氟乙基碳酸乙酯(2F-DEC)、2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)或其组合。在某些情况下，氟代碳酸亚乙酯(FEC)可以以大于或等于约2体积百分比至小于或等于约50体积百分比的量存在于电解质体系30中，并且该至少一种含直链氟化碳酸酯的共溶剂可以以大于或等于约0体积百分比至小于或等于约80体积百分比的量存在。
其他含环状碳酸酯和含直链碳酸酯的共溶剂可以以大于0体积百分比至小于或等于约98体积百分比，可选地大于或等于约1体积百分比至小于或等于约98体积百分比的量累积地存在于电解质体系30中。其他示例性的含环状碳酸酯的共溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯及其组合。其他示例性的含直链碳酸酯的共溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。
在一个变型中，电解质体系30包含大于或等于约1体积百分比至小于或等于约50体积百分比的氟代碳酸亚乙酯(FEC)、大于或等于约2体积百分比至小于或等于约90体积百分比的2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)、以及作为余量的大于或等于约1体积百分比至小于或等于约98体积百分比的含直链碳酸酯的共溶剂和含环状碳酸酯的共溶剂。
仅举例而言，在某些情况下，电解质体系30可以包括作为含环状碳酸酯的共溶剂的氟代碳酸亚乙酯(FEC)；作为含直链氟化碳酸酯的共溶剂的2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2FEMC)；以及作为两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的剩余含直链碳酸酯的共溶剂的碳酸二甲酯(DMC)。在某些变型中，氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)和2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)可以以约1∶2∶2的体积比存在。仅举例而言，2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)可以以大于或等于约1体积百分比至小于或等于约90体积百分比的量存在于电解质体系30中；碳酸二甲酯(DMC)可以以大于或等于约0体积百分比至小于或等于约90体积百分比的量存在于电解质体系30中；并且氟代碳酸亚乙酯(FEC)可以以大于或等于约1体积百分比至小于或等于约30体积百分比的量存在于电解质体系30中。
在某些情况下，电解质体系30可以进一步包括含环状碳酸酯的共溶剂碳酸亚乙酯(EC)，作为一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂中的一种。在这种情况下，碳酸亚乙酯(EC)可以以大于或等于约0体积百分比至小于或等于约50体积百分比的量存在于电解质体系30中。
在某些情况下，电解质体系30可以进一步包括含环状碳酸酯的共溶剂碳酸亚丙酯(PC)，作为一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂中的一种。在这种情况下，碳酸亚丙酯(PC)可以以大于或等于约0体积百分比至小于或等于约50体积百分比的量存在于电解质体系30中。
在某些情况下，除了以上所述的至少一种含环状碳酸酯的共溶剂和两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂之外，电解质体系30可以进一步包括含碳酸酯的共溶剂。例如，电解质体系30可以进一步包括碳酸烷基酯，例如脂族羧酸酯(例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯(例如，γ-丁内酯、γ-戊内酯)及其混合物。另外的含碳酸酯的共溶剂可以以大于或等于约0体积百分比至小于或等于约50体积百分比的量存在于电解质体系30中。
在各个方面，包含锂盐和溶剂(包含一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂和两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂，其中该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是含直链氟化碳酸酯的共溶剂)的电解质体系30可以基本上避免在小于或等于约-30℃的温度下发生沉淀。在各个方面，包含锂盐和溶剂(包含一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂和两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂，其中该两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是含直链氟化碳酸酯的共溶剂)的电解质体系30可以在约-30℃下具有大于或等于约0.5mS/cm的电导率。在各个方面，循环锂离子的电化学电池20在500次循环之后可以具有小于或等于约25％的容量损失。
本技术的实施例通过以下非限制性示例进一步加以说明。
示例1
图2示出了包括比较电解质体系的硅(Si)半电池的电化学电池的充电及放电曲线。y轴50描绘了以mAh为单位的比容量，而循环次数显示在x轴52上。
电化学电池60包括根据本公开的某些方面制备的电解质体系。具体地，电化学电池60的电解质体系包括作为锂盐的15质量％的六氟磷酸锂(LiPF6)以及体积比为约1∶2∶2的共溶剂氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)和2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)。
电化学电池70包括电解质体系，该电解质体系包括六氟磷酸锂(LiPF6)以及体积比为约1∶2∶2的共溶剂氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)。电化学电池80包括电解质体系，该电解质体系包括六氟磷酸锂(LiPF6)以及体积比为约1∶4的共溶剂碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)。
可以看出，电化学电池80具有比电化学电池70更出色的性能。在300次循环之后，电化学电池60具有优于电化学电池70和80的性能。具体而言，电化学电池60相对于电化学电池70和80而言具有出色的长期稳定性。因此，根据本公开的某些方面制备的电化学电池60表现出了明显得到改善的循环性能和降低的容量衰减。
示例2
图3示出了包括比较电解质体系的基于石墨/SiOx-NMC的电化学电池的充电及放电曲线。y轴200描绘了以mAh为单位的容量，而循环次数显示在x轴202上。
电化学电池220包括根据本公开的某些方面制备的电解质体系。具体地，电化学电池220的电解质体系包括作为锂盐的六氟磷酸锂(LiPF6)以及体积比为约1∶2∶2的共溶剂氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)和2，2-二氟乙基碳酸甲酯(2F-EMC)。电化学电池220的负电极包括约70％的石墨；约20％的SiOx，其中0.5≤x≤1.5；约2％的羧基甲氧基纤维素(CMC)；约3％的丁苯橡胶(SBR)；以及5％的炭黑。
电化学电池240包括电解质体系，该电解质体系包括六氟磷酸锂(LiPF6)、约10体积％的氟代碳酸亚乙酯(FFC)以及体积比为约1∶2的共溶剂碳酸亚乙脂(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)。电化学电池240的负电极包括约70％的石墨；约20％的SiOx，其中0.5≤x≤1.5；约2％的羧基甲氧基纤维素(CMC)；约3％的丁苯橡胶(SBR)；以及5％的炭黑。
可以看出，电化学电池220具有比电化学电池240更出色的性能。在600次循环之后，电化学电池220具有优于电化学电池240的性能。具体而言，电化学电池220相对于电化学电池240而言具有出色的长期稳定性。因此，根据本公开的某些方面制备的电化学电池220表现出了明显得到改善的循环性能和降低的容量衰减。
出于说明和描述的目的，已经提供了对实施例的前述描述。并不意在穷举的或限制本发明。特定实施例的单个元素或者特征通常并不限于该特定实施例，但是，在适用的情况下是可以互换的，并且可以用于选定实施例，即使这些选定实施例未进行具体示出或者描述。同样的情况还可以以许多方式发生变化。这种变化不应被视为背离本公开，并且所有的这种修改都旨在包括在本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种循环锂离子的电化学电池，包括：
包括含硅电活性材料的电极，所述含硅电活性材料在所述电化学电池的所述循环期间经历体积膨胀和收缩；以及
电解质体系，所述电解质体系促进在所述含硅电活性材料的一个或多个暴露表面区域上被动地形成包括氟化锂-聚合物复合物的柔性固体电解质界面保护层，
其中所述柔性固体电解质界面保护层具有大于或等于1nm至小于或等于100nm的厚度，其中所述电解质体系适应所述含硅电活性材料的所述体积膨胀和收缩，从而促进了长期循环稳定性，其中所述电解质体系包括锂盐、一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂以及两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂，其中锂盐以电解质体系的10至20质量％的量存在，其中所述电解质体系的所述一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂是氟代碳酸亚乙酯，其中所述两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种是包含氟的含直链氟化碳酸酯的共溶剂，其中所述包含氟的含直链氟化碳酸酯的共溶剂选自：2,2,2-三氟乙基碳酸甲酯；2,2,2-三氟乙基碳酸乙酯；双（2,2-二氟乙基）碳酸酯；2,2-二氟乙基-2,2,2-三氟乙基碳酸酯；2,2-二氟乙基六氟异丙基碳酸酯；双（2,2,2-三氟乙基）碳酸酯；2,2,3,3,3- 五氟丙基-2,2,2- 三氟乙基碳酸酯； 2,2- 二氟乙基碳酸乙酯；2,2-二氟乙基碳酸甲酯；及其组合，其中所述两种或多种含直链碳酸酯的共溶剂中的至少一种选自碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯及其组合，并且其中所述电解质体系基本上避免在小于或等于-30℃的温度下发生沉淀，并且在-30℃下具有大于或等于0.5 mS/cm 的电导率。
2.根据权利要求1 所述的电化学电池，其中所述一种或多种含环状碳酸酯的共溶剂以大于或等于1 体积百分比至小于或等于50 体积百分比的量存在于所述电解质体系中；并且
其中所述含直链氟化碳酸酯的共溶剂以大于或等于2 体积百分比至小于或等于90 体积百分比的量存在于所述电解质体系中。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述包含氟的含直链氟化碳酸酯的共溶剂为2,2-二氟乙基碳酸甲酯。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述电解质体系还包括选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯及其组合的另外的含环状碳酸酯的共溶剂。
5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中所述电解质体系包括大于或等于 1 体积百分比至小于或等于 50 体积百分比的氟代碳酸亚乙酯、大于或等于2 体积百分比至小于或等于90 体积百分比的2,2-二氟乙基碳酸甲酯、以及作为余量的以大于或等于1 体积百分比至小于或等于98 体积百分比累积地存在的其他的所述含直链碳酸酯的共溶剂和所述另外的含环状碳酸酯的共溶剂。
6.根据权利要求 1 所述的电化学电池，其中所述电解质体系包括氟代碳酸亚乙酯，2,2-二氟乙基碳酸甲酯和碳酸二甲酯。
7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中所述氟代碳酸亚乙酯 、2,2-二氟乙基碳酸甲酯和碳酸二甲酯以1:2:2 的体积比存在。
CN201810320270.9A 2017-04-19 2018-04-11 用于含硅电极的电解质体系 Active CN108899583B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/491,089 US10727535B2 (en) 2017-04-19 2017-04-19 Electrolyte system for silicon-containing electrodes
US15/491089 2017-04-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108899583A CN108899583A (zh) 2018-11-27
CN108899583B true CN108899583B (zh) 2021-11-09

Family

ID=63714919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810320270.9A Active CN108899583B (zh) 2017-04-19 2018-04-11 用于含硅电极的电解质体系

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10727535B2 (zh)
CN (1) CN108899583B (zh)
DE (1) DE102018109166A1 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10727535B2 (en) 2017-04-19 2020-07-28 GM Global Technology Operations LLC Electrolyte system for silicon-containing electrodes
US10497927B2 (en) 2017-08-31 2019-12-03 GM Global Technology Operations LLC Methods of applying self-forming artificial solid electrolyte interface (SEI) layer to stabilize cycle stability of electrodes in lithium batteries
US10916763B2 (en) 2019-06-03 2021-02-09 Enevate Corporation Surface-fluorinated silicon-containing electrodes
US11094925B2 (en) 2017-12-22 2021-08-17 Zenlabs Energy, Inc. Electrodes with silicon oxide active materials for lithium ion cells achieving high capacity, high energy density and long cycle life performance
US20210399276A1 (en) * 2018-11-02 2021-12-23 Lg Energy Solution, Ltd. Lithium secondary battery
CN112151788A (zh) * 2019-06-26 2020-12-29 珍拉布斯能源有限公司 具有高性能电解质和氧化硅活性材料的锂离子电池
US11973178B2 (en) * 2019-06-26 2024-04-30 Ionblox, Inc. Lithium ion cells with high performance electrolyte and silicon oxide active materials achieving very long cycle life performance
US20210184199A1 (en) * 2019-12-11 2021-06-17 GM Global Technology Operations LLC Methods of lithiating metal anodes using electrolytes
US20210408605A1 (en) * 2020-06-24 2021-12-30 GM Global Technology Operations LLC Electrolyte systems for lithium-class batteries of electric-drive vehicles
CN112234251A (zh) * 2020-09-28 2021-01-15 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种应用于锂电池的宽温域有机电解液及其制备方法
US11688882B2 (en) * 2020-10-30 2023-06-27 GM Global Technology Operations LLC Electrolytes and separators for lithium metal batteries
CN117546330A (zh) * 2021-06-03 2024-02-09 伊翁布洛克斯有限公司 实现长循环寿命、快速充电及高热稳定性的具有高性能电解质及氧化硅活性材料的锂离子电池
US11735776B2 (en) 2021-08-26 2023-08-22 GM Global Technology Operations LLC Electrolytes for electrochemical cells
US11799083B2 (en) 2021-08-26 2023-10-24 GM Global Technology Operations LLC Lithiation additive for a positive electrode
CN118020190A (zh) * 2021-09-10 2024-05-10 伊翁布洛克斯有限公司 具有使含氧化硅活性材料的电池达成高功率放电及长循环寿命的高倍率电解质的锂离子电池

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101218706A (zh) * 2005-06-10 2008-07-09 三菱化学株式会社 非水电解液、非水电解质二次电池和碳酸酯化合物
CN104282940A (zh) * 2013-07-08 2015-01-14 三星Sdi株式会社 用于锂二次电池的电解质和包含所述电解质的锂二次电池
WO2015183598A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 Dow Global Technologies Llc Lithium battery electrolyte solution containing (2,2-difluoroethyl) ethyl carbonate
CN105580173A (zh) * 2013-09-26 2016-05-11 宇部兴产株式会社 蓄电设备用聚酰亚胺粘合剂、使用了该粘合剂的电极片材及蓄电设备

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6060184A (en) 1998-07-09 2000-05-09 Wilson Greatbatch Ltd. Inorganic and organic nitrate additives for nonaqueous electrolyte in alkali metal electrochemical cells
JP5243035B2 (ja) * 2005-10-12 2013-07-24 三井化学株式会社 リチウム二次電池
KR100839369B1 (ko) 2006-11-27 2008-06-19 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 음극 활물질 조성물, 이를 이용하여제조된 리튬 이차 전지용 음극 및 리튬 이차 전지
US7722994B2 (en) 2007-03-28 2010-05-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Lithium-ion battery non-aqueous electrolytes
US20110091768A1 (en) 2007-09-12 2011-04-21 Mitsubishi Chemical Corporation Nonaqueous electrolytic solution for secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5372589B2 (ja) * 2009-04-27 2013-12-18 三井化学株式会社 二次電池用非水電解液及び非水電解質二次電池
US8802301B2 (en) 2009-11-06 2014-08-12 GM Global Technology Operations LLC Lithium ion battery electrolyte including a vitreous eutectic mixture
JP2011192402A (ja) 2010-03-11 2011-09-29 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質二次電池
US8735005B2 (en) * 2010-04-02 2014-05-27 E I Du Pont De Nemours And Company Fluorinated cyclic carbonates and compositions thereof
US8586222B2 (en) 2010-04-08 2013-11-19 GM Global Technology Operations LLC Lithium-ion cell with an array of reference electrodes
US20120109503A1 (en) 2010-10-29 2012-05-03 Gm Global Technology Operations, Inc. Li-ION BATTERY FOR VEHICLES WITH ENGINE START-STOP OPERATIONS
WO2012067943A1 (en) 2010-11-15 2012-05-24 Amprius, Inc. Electrolytes for rechargeable batteries
US20120231325A1 (en) 2011-03-10 2012-09-13 Su-Jin Yoon Electrolyte for a lithium rechargeable battery, lithium rechargeable battery including the same, and method of manufacturing a lithium rechargeable battery
US9601228B2 (en) 2011-05-16 2017-03-21 Envia Systems, Inc. Silicon oxide based high capacity anode materials for lithium ion batteries
JP5968883B2 (ja) * 2011-05-31 2016-08-10 三洋電機株式会社 非水電解質電池
US8394539B2 (en) 2011-06-24 2013-03-12 GM Global Technology Operations LLC Lithium salts of fluorinated borate esters for lithium-ion batteries
US9350046B2 (en) 2012-07-18 2016-05-24 GM Global Technology Operations LLC Physically cross-linked gel electrolyte
US9005311B2 (en) * 2012-11-02 2015-04-14 Sion Power Corporation Electrode active surface pretreatment
DE102014203750A1 (de) * 2014-02-28 2015-09-03 Wacker Chemie Ag Polymerzusammensetzung als Bindersystem für Lithiumionenbatterien
CN105591155A (zh) * 2014-10-22 2016-05-18 上海中聚佳华电池科技有限公司 一种锂离子电池用高压电解液
US9627716B2 (en) * 2014-12-16 2017-04-18 GM Global Technology Operations LLC Electrolyte and lithium based batteries
US10122002B2 (en) 2015-01-21 2018-11-06 GM Global Technology Operations LLC Thin and flexible solid electrolyte for lithium-ion batteries
CN105552440A (zh) * 2015-12-16 2016-05-04 东莞市杉杉电池材料有限公司 一种改善锂电池极片界面的锂离子电池电解液
JP6696591B2 (ja) * 2016-12-27 2020-05-20 ダイキン工業株式会社 電解液、電気化学デバイス、リチウムイオン二次電池及びモジュール
US10727535B2 (en) 2017-04-19 2020-07-28 GM Global Technology Operations LLC Electrolyte system for silicon-containing electrodes

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101218706A (zh) * 2005-06-10 2008-07-09 三菱化学株式会社 非水电解液、非水电解质二次电池和碳酸酯化合物
CN104282940A (zh) * 2013-07-08 2015-01-14 三星Sdi株式会社 用于锂二次电池的电解质和包含所述电解质的锂二次电池
CN105580173A (zh) * 2013-09-26 2016-05-11 宇部兴产株式会社 蓄电设备用聚酰亚胺粘合剂、使用了该粘合剂的电极片材及蓄电设备
WO2015183598A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 Dow Global Technologies Llc Lithium battery electrolyte solution containing (2,2-difluoroethyl) ethyl carbonate

Also Published As

Publication number Publication date
DE102018109166A1 (de) 2018-10-25
US20180309169A1 (en) 2018-10-25
US10727535B2 (en) 2020-07-28
CN108899583A (zh) 2018-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108899583B (zh) 用于含硅电极的电解质体系
CN109216766B (zh) 抑制或最小化锂离子电池中金属污染物和枝晶形成的电解质体系
US10673046B2 (en) Separator for lithium metal based batteries
CN109980285B (zh) 用于锂-硫属元素电池的电解质体系
US11651906B2 (en) Voltage-modified hybrid electrochemical cell design
US20190288273A1 (en) Electrolyte systems for silicon-containing electrodes
CN112448047B (zh) 预锂化电极的方法
US11784010B2 (en) Electrode including capacitor material disposed on or intermingled with electroactive material and electrochemical cell including the same
CN112670601A (zh) 具有均匀热分布的超高功率混合型电池设计
CN110556521B (zh) 硅阳极材料
CN111384399A (zh) 用于锂金属电极的保护性涂层
US11688882B2 (en) Electrolytes and separators for lithium metal batteries
CN115241456A (zh) 具有用于控制固体电解质界面层的形成的表面结构的集流体
CN114497449A (zh) 用于快速充电的电极架构
CN114597346A (zh) 电化学电池的厚电极
US20220181685A1 (en) In-situ gelation method to make a bipolar solid-state battery
US20220181629A1 (en) Elastic binding polymers for electrochemical cells
CN114792838A (zh) 用于含磷橄榄石正电极的三元盐电解质
US20230369568A1 (en) Lithium-containing particle coatings for positive electroactive materials
US20240055593A1 (en) Hybrid battery having improved thermal stability and power performance
US20230387398A1 (en) Carbon additives for silicon-containing electrodes
US20230253617A1 (en) Polymeric gel electrolytes for high-power batteries
US20230411614A1 (en) Electrolyte additive for nickel-rich cathodes and silicon-containing anodes
US20230019313A1 (en) Lithium alloy reservoir for use in electrochemical cells that cycle lithium ions
US20240047666A1 (en) Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant