CN111634894B - 在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物及其在锂离子电池中的用途 - Google Patents

在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物及其在锂离子电池中的用途 Download PDF

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Abstract

在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物，以及制备无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物的方法。在一个实施方式中，该方法包括将一种或更多种磺酰亚胺锂盐与一种或更多种醚基溶剂混合，然后在合适的真空、温度和时间条件下除去游离溶剂，以获得在室温为液体的无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物。在一个实施方式中，仅残留在液体磺酰亚胺锂盐组合物中的溶剂分子与磺酰亚胺锂盐分子加合。还公开了用于制备无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐的自动化处理系统的实施例。

Description

在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物及其在锂 离子电池中的用途
相关申请信息
本申请要求于2019年3月1日提交的名称为“LIQUID LITHIUM SALT:FREE-SOLVENT-FREE LITHIUM ELECTROLYTE WITH>12MOLAR CONCENTRATION IN ETHER-BASEDSOLVENTS”的美国临时专利申请第62/812,446号和于2019年4月8日提交的名称为“LIQUIDLITHIUM SALT:FREE-SOLVENT-FREE LIQUID LITHIUM BIS(FLUOROSULFONYL)IMIDE”的美国临时专利申请第62/830,601号的优先权的权益，其每一个以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及磺酰亚胺锂盐的领域。特别地，本发明涉及在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物(free-solvent-free lithium sulfonimide saltcomposition)及其用途。
背景技术
如今，在室温(即，～20℃至～25℃)，没有锂盐是液体的。人们能够得到一种含有锂盐的室温液体的唯一方法是通过在溶剂中溶解锂盐以形成一溶液。通过常规方法从室温溶液中除去溶剂，简单地回收固体锂盐。此类别中的一个简单示例是将固体氯化锂溶解在水中以得到一室温溶液。除去室温溶液中的水，将氯化锂作为固体回收。
锂盐已被用于电解质中，例如，用于锂离子电池和超级电容器的电解质。如今，有各种各样可用的锂盐，例如，双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、和氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)。然而，它们在室温都是固体。已报道离子液体能够溶解固体锂盐以得到液体的电解液，但是该锂盐的浓度不是很高(通常小于3摩尔)。将室温下为液体的无游离溶剂的锂盐用于多种应用，包括锂基电池，特别是二次锂基电池和超级电容器等等，将是可取的。例如，液体的，即无游离溶剂的锂盐可以直接用作电解质，而无需任何溶剂。用于锂基电解质的溶剂是易燃的，因此避免使用溶剂减少起火和/或爆炸的可能性。此外，纯净的液体锂盐具有很高的锂离子浓度，可用于电解质中的电能流动。
发明内容
在一个实施方式中，本公开涉及一种合成无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物的方法。该方法包括，在惰性条件下，将至少一种无水磺酰亚胺锂盐与至少一种无水醚基溶剂接触，以制备含有所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐的溶液，其中，溶液中所述至少一种无水醚基溶剂包含不加成到所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐中的游离的部分；以及除去溶液中所述至少一种醚基溶剂的基本上所有的游离的部分，从而保留无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物，其中，无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物在室温为液体。
附图说明
为了说明本发明，附图示出了本发明的一个或更多个实施例的方面。然而，应当理解，本发明不限于附图中所示的精确布置和手段，其中：
图1是示出用于制备本公开的无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物的自动化处理系统的实施例的简图；和
图2是示出根据本公开的方面制成的电化学装置的高水平图。
具体实施方式
在一些方面中，本公开涉及合成在室温为液体并且基本上或完全是不含游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物的方法。这些液体磺酰亚胺锂盐组合物在本文中被称为“无游离溶剂”，该状态典型地发生在将该组合物暴露于某些温度和某些真空下一段时间之后，其中溶剂没有进一步减少，但是组合物保持液体。正如在本文和在所附权利要求中，“室温”取为25℃，尽管它能够扩展到更低，例如到20℃。正如以下详细描述和示例，在一些实施方式中，这些磺酰亚胺锂盐组合物被制备，使用至少一种无水醚基溶剂，由磺酰亚胺锂盐或两种或更多种磺酰亚胺锂盐的组合，诸如例如，双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)和双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)或其他氟化和/或全氟化磺酰亚胺锂盐的组合以制成溶液。已发现与其他溶剂不同，醚基溶剂与磺酰亚胺锂盐组合物具有强配位作用。然后，所述至少一种无水醚基溶剂的游离的部分从溶液中全部或在可行的加工条件下的可行范围内除去，以得到基本上由磺酰亚胺锂盐分子和所述至少一种用于制备溶液的无水醚基溶剂分子的加合物组成的组合物。
在一些实施方式中，磺酰亚胺锂盐组合物可以被合成，通过将锂碱和含氟酸在至少一种无水醚基溶剂中混合，以致不仅合成磺酰亚胺锂盐，而且还产生溶液，从溶液所有或基本上所有的所述至少一种无水醚基溶剂被除去以产生磺酰亚胺锂盐组合物。正如在先前的实施方式中，该磺酰亚胺锂盐组合物基本上由磺酰亚胺锂盐的分子与所述至少一种无水醚基溶剂的分子的加合物组成。在前述两个实施方式中，所得的磺酰亚胺锂盐组合物在本文和在所附权利要求中称为“无游离溶剂”，以表示它们不是溶液，因为它们缺少或基本上缺少游离溶剂分子。
应注意，相对于本文公开的磺酰亚胺锂盐组合物，“无游离溶剂”的使用应当包括这样的组合物，该组合物完全不含在制备该组合物所用的所有无水醚基溶剂的游离的即未加成的分子，以及这样的组合物，该组合物基本上不含在制备该组合物所用的无水醚基溶剂的游离的即未加成的分子。在本文中，“基本上”是指用于制备该组合物的无水醚基溶剂已经被尽可能多地或在实际中尽可能多地除去，使得所讨论的磺酰亚胺锂盐组合物基本上由相应的盐+溶剂加合物组成。在一些实施方式中，“无游离溶剂”是指相应的磺酰亚胺锂盐组合物具有小于约0.5％按重量计的溶剂。在一些实施方式中，“无游离溶剂”是指相应的磺酰亚胺锂盐组合物具有小于约0.3％。在一些实施方式中，“无游离溶剂”是指相应的磺酰亚胺锂盐组合物具有小于约0.1％。在一些实施方式中，“无游离溶剂”是指当继续在真空中除去溶剂的条件下(即压力和温度)，并且磺酰亚胺锂盐组合物的重量不再继续降低时保留的磺酰亚胺锂盐组合物。这表明已除去所有或基本上所有的游离溶剂。
在这一点上，正如在本文和在所附权利要求中所使用的，术语“基本上由……组成”是指所提到的物质是由该物质加上由于合成、吸湿亲和力、或其他可能存在的任何杂质，和/或任何其他非故意存在于物质中的材料组成。
正如在本文和在所附权利要求中另外使用的，术语“无水”是指具有约1％按重量计或更低的水，典型地约0.5％按重量计或更低的水，经常约0.1％按重量计或更低的水，更经常约0.01％按重量计或更低的水，并且最经常约0.001％按重量计或更低的水。在该定义内，术语“基本上无水”是指具有约0.1％按重量计或更低的水，典型地约0.01％按重量计或更低的水，并且经常约0.001％按重量计或更低的水。
在整个本公开和所附权利要求中，当与对应的数值一起使用时术语“约”指的是数值的±20％，典型地数值的±10％，经常数值的±5％，最经常数值的±2％。在一些实施方式中，术语“约”可以被认为是实际数值。
当描述化学反应时，例如本文所描述和/或在所附权利要求中所提及的任何合成和纯化反应，术语“处理”、“接触”和“反应”可互换使用，并且是指在足以产生所指示的和/或期望的产物的条件下加入或混合两种或多种试剂。应当理解，产生所指示的和/或期望的的产物的反应可以不一定由最初加入的试剂的组合直接产生。即，可以有一种或更多种中间体，其在混合物中产生，并最终导致所指示的和/或期望的产物的形成。
另一方面，本公开涉及本公开的磺酰亚胺锂盐组合物的用途。例如，本公开的磺酰亚胺锂盐组合物可用作熔融盐来制备能够用于任何合适的电化学装置例如电池或超级电容器中的电解质。
下面描述本公开的前述和其他方面的细节。
合成室温硫磺酰亚胺锂盐组合物的示例方法
在一些实施方式中，在室温(在本公开和所附权利要求中为20℃)为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物可以如下合成。首先，可以提供包含无水磺酰亚胺锂盐和至少一种无水醚基溶剂的溶液。可以用于无水磺酰亚胺锂盐的磺酰亚胺锂盐组合物的实施例包括但不限于LiFSI、LiTFSI和氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)。可用于一种或更多种无水醚基溶剂的无水醚基溶剂的实施例包括但不限于二甲氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、二氧六环和冠醚等等。通常，可以使用任何醚基溶剂。
在一些实施例中，提供溶液可以包括以磺酰亚胺锂盐开始制备溶液。在一个实施例中，制备溶液包括提供固体形式的磺酰亚胺锂盐，并将固体磺酰亚胺锂盐与至少一种无水醚基溶剂接触。在一个实施例中，所使用的所述至少一种无水醚基溶剂的量是制备溶液所需的最小量，或约最小量。在上下文中所述至少一种无水醚基溶剂的“最小量”指的是所述至少一种无水醚基溶剂被以固体磺酰亚胺锂盐基本上在其不再继续溶解的量提供。在一些实施方式中，所述至少一种无水醚基溶剂的最小量为溶剂的约20重量％。
磺酰亚胺锂盐与所述至少一种无水醚基溶剂的接触可以在干燥的惰性气氛中进行，例如在干燥的惰性气体例如氩气和/或氮气等等中。磺酰亚胺锂盐与所述至少一种无水醚基溶剂的接触可以以任何合适的方式进行，例如分批地，以预确定的量进行(例如，如果导致最小量的比例已经被预确定的话)等等。以磺酰亚胺锂盐开始的制备溶液的过程可以在室温或室温附近进行，例如在约15℃至约30℃的范围内。然而，该过程可以在可获得液体溶液的另一合适温度进行。制备溶液的过程可以通过搅拌来辅助，例如使用任何合适的搅拌装置。在一些实施例中，在磺酰亚胺锂盐与所述至少一种无水醚基溶剂接触期间和/或之后，连续进行搅拌至少约10分钟。
在一些实施例中，提供溶液可以包括制备溶液作为合成磺酰亚胺锂盐的一部分。在一个实施例中，制备溶液可以包括在足以中和溶液并在溶液中形成磺酰亚胺锂盐的条件下，使锂碱与所述至少一种无水醚基溶剂中的含氟酸反应。在一个实施例中，锂碱可以选自包括但不限于碳酸锂和氢氧化锂的组，并且含氟酸可以选自包括但不限于FSO2NHSO2F(HFSI)和CF3SO2NHSO2F(HFTFSI)的组。在一些实施例中，磺酰亚胺锂盐的合成可以导致杂质沉淀在溶液中。如果是这样，溶液可以被过滤，例如，采用本领域中已知的任何合适的过滤技术，以除去这些杂质来产生澄清无色液体滤液。制备溶液以及合成磺酰亚胺锂盐的过程可以在室温或室温附近进行，例如在约15℃至约30℃的范围内。然而，该过程可以在可获得液体溶液的另一合适温度进行。制备溶液的过程可以通过搅拌来辅助，例如使用任何合适的搅拌装置。在一些实施例中，在磺酰亚胺锂盐与所述至少一种无水醚基溶剂接触期间和/或之后，连续进行搅拌至少约10分钟。
无论是哪种方式提供包含无水磺酰亚胺锂盐和至少一种无水醚基溶剂的溶液，例如上述任何方式，所述至少一种无水醚基溶剂的全部或基本上全部的游离的即未加成的部分被从溶液中除去，以得到无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物。如上所述，无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物基本上由加合物组成，该加合物由磺酰亚胺锂盐的分子和所述至少一种无水醚基溶剂的分子组成。可以以任何合适的方式除去所述至少一种无水醚基溶剂的游离的部分。
例如，在真空中，例如在约100托或更低、10托或更低、1托或更低、0.1托或更低或0.01托或更低等等的压力下，所述至少一种无水醚基溶剂的游离的部分可以从溶液中除去。在经受真空的同时，该溶液可以处于约-78℃至约100℃的范围内、约20℃至约70℃的范围内、约0℃至约35℃的范围内等等的温度。在一些实施方式中，例如使用在刚刚提到的范围内的压力和温度的任何组合的实施方式，可以需要48小时或更长时间才能获得无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐。在除去所述至少一种无水醚基溶剂的游离的部分后，所得的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物为澄清无色的产物，其在室温为液体。在一个实施例中，通过在约0℃至约35℃的温度范围内抽真空至小于0.01托来除去游离溶剂，以获得恒定重量的液体产物。“恒定重量”是指除去过程达到了液体磺酰亚胺锂盐组合物的重量不再降低的程度。这表明任何剩余的溶剂都与磺酰亚胺锂盐完全配位，以提供作为单一组合物的无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物。
如上所述，该无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物基本上由磺酰亚胺锂盐分子和所述至少一种无水醚基溶剂分子的加合物组成。尽管可以是期望的是在无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物中不存在水，但实际上很难除去所有水。因此，在一些实施方式中，是期望的是无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物具有约2000ppm(百万分之一)或更低、约1000ppm或更低、约500ppm或更低、约200ppm或更低、约100ppm或更低或约2ppm或更低等等的水含量。
本公开的合成无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物的方法可以适用于间歇处理和连续处理。现在参考附图，图1示出自动化处理系统100的实施例，其可以是对于以工业规模的量制备无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐组合物期望的。在图1的实施例中，自动化处理系统100包括反应器104，其被连续不断地或频繁地供给一种或更多种磺酰亚胺锂盐(图1中箭头108所示)和一种或更多种醚基溶剂(图1中箭头112所示)。虽然未示出，但是本领域的技术人员将理解可以存在用于将一种或更多种磺酰亚胺锂盐108以精确的量(例如重量)进料到反应器104中的一个或更多个装置以及用于将所述一种或更多种醚基溶剂112以精确的量(例如重量)进料到反应器104中的一个或更多个装置。磺酰亚胺锂盐108和醚基溶剂112的每一种的最优量可以使用任何合适的方法来确定，例如使用合适的工艺参数的实验和/或计算机建模，其本身可以使用任何合适的方法被确定。
反应器104可以包括混合器104A和相应的控制系统(未示出)，以将磺酰亚胺锂盐108和醚基溶剂112适当地混合在一起。如上所述，磺酰亚胺锂盐108和醚基溶剂112应分别处于无水状态。因此，反应器104和自动化处理系统100的其他部件为相应的过程提供惰性环境。这样的惰性环境可以由包括任何必要的控制器(未示出)的惰性气体系统116提供，其使用一种或更多种惰性气体(图1中由箭头116A所示)，例如氩气和氮气。
因为磺酰亚胺锂盐108和醚基溶剂112的混合是放热的，并且是期望的是保持混合等温，所述在本实施例中，反应器104具有混合物温度控制系统120，其监测反应器104内的混合物的温度。虽然未示出反应器104内的混合物，但是如箭头124所示，示出混合物离开反应器104。如本领域的技术人员将理解的，混合物温度控制系统120可以包括：用于测量反应器104内的混合物124的温度的一个或更多个热探针和/或其他温度传感器120A；一个或更多个散热器120B，例如一个或更多个热交换器；用于控制散热器120B从混合物124中除去的热的量的一个或更多个致动器120C，以及用于根据混合物124的温度控制致动器120C的温度控制器120D。反应器104可以包括用于控制反应器104的任何其他操作，例如混合物124的释放等等的一个或更多个控制器(未示出)。
如果混合物124包含不溶性杂质，那么自动化处理系统100可以可选择地包括用于从混合物124中过滤出这些杂质的过滤系统128。过滤系统128可以包括任何合适的过滤设备128A，例如具有孔尺寸在约50微米至约200微米等等的范围内的多孔过滤器。过滤系统128可以根据需要流体地连接至惰性气体系统116，以确保混合物124在过滤期间保持在惰性环境中。在过滤需要惰性气体的其他实施方式中，可以使用不同于惰性气体系统116的惰性气体系统。过滤系统128可以包括用于控制过滤系统128执行的过滤所需的任何必要的过滤控制器128B以及相应的测量装置128C和致动器128D等等。
自动化处理系统100包括用于可控制地从混合物124中除去游离溶剂(由从抽真空系统132离开的箭头136所示)，以产生期望的无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐140的抽真空系统132。抽真空系统132可以包括一个或更多个真空室132A和用于为真空室132A提供期望的真空量的一个或更多个真空泵132B。上面描述了用于溶剂除去过程的示例真空压力。抽真空系统132还可以包括用于控制真空室132A内的温度的一个或更多个温度控制系统132C。上面描述了用于溶剂除去过程的示例温度。抽真空系统132还可以包括用于控制由抽真空系统132执行的溶剂除去过程的所有方面的一个或更多个抽真空系统控制器132D。例如，抽真空系统控制器132D可使用反馈控制来控制真空室132A内的真空度，例如，使用一个或更多个合适的压力传感器132E。抽真空系统控制器132D可使用反馈控制来控制真空室132A内的温度，例如，使用一个或更多个合适的温度传感器132F。抽真空系统控制器132D还可以包括一个或更多个计时器132G，其控制真空室132A内的混合物124经受期望的真空度和温度的时间量。抽真空系统132还可以包括用于将混合物124和/或产物和副产物移入、通过和/或移出抽真空系统132的致动器、输送机和/或其他部件(未示出)。抽真空系统控制器132D可以包括用于执行这些以及任何其他相关功能以使自动化处理系统100完全起作用并且完全自动化的合适的机器可执行指令。
在一些实施方式中，自动化处理系统100可以包括主控制器144，其与控制器120D、128B和132D中的每一个以及任何其他控制器、致动器、传感器、进料装置等等通信，以控制自动化处理系统的整体操作。在一些实施方式中，主控制器144可以执行控制器120D、128B和132D的所有功能。如本领域的技术人员将容易地理解的，每个控制器120D、128B、132D、144和任何未示出的控制器(如果有的话)可以是任何合适的控制器，例如基于微处理器的控制器，其包括硬件存储器，该硬件存储器包含合适的机器可执行指令，用于执行必要的/期望的功能，以及与硬件存储器操作性地通信的一个或更多个微处理器，以便能够处理这样的机器可执行指令。可用作控制器120D、128B、132D、144中的任何一个的控制器以及任何未示出的控制器(如果有的话)的实例包括但不限于片装系统、个人计算机、大型计算机和可编程逻辑控制器等等。根本上，对用于控制器120D、128B、132D、144中的每一个以及任何未示出的控制器(如果有的话)的机器的类型没有限制。本领域的技术人员将在充分理解本文公开的用于制备无游离溶剂的液体磺酰亚胺锂盐的方法的情况下，容易地理解如何实现自动化处理系统100的所有方面。
实验实施例
除非另有说明，以下实施例中使用的所有化学药品均为高纯度并从商业来源获得。采取了严格的预防措施以排除过程中的水分，并在通风良好的通风橱中进行反应。
实施例1
使用LiFSI和二甲氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(112g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二甲氧基乙烷(65g)分批加入烧瓶中以溶解LiFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌溶液10分钟。将得到的液体溶液在35℃在<0.01托的真空中抽真空24小时，以得到152g的液体LiFSI盐组合物，该液体LiFSI盐组合物外观为澄清无色液体。电导率为2.48m/S/cm。
实施例2
使用LiFSI和二甲氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(134.64g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二甲氧基乙烷(40g)分批加入烧瓶中以溶解LiFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌溶液10分钟。将得到的液体溶液在35℃在<0.01托的真空中抽真空24小时，以得到174.6g的液体LiFSI盐组合物。
实施例3
使用LiFSI和二甲氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(33.1g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二甲氧基乙烷(13.5g)分批加入烧瓶中以溶解LiFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌溶液10分钟。将得到的液体溶液在35℃在<0.01托的真空中抽真空24小时，以得到45g的液体LiFSI盐组合物。
实施例4
使用LiFTFSI和二甲氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(42g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二甲氧基乙烷(40g)分批加入烧瓶中以溶解LiFTFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌反应混合物10分钟。将得到的液体溶液在35℃在<0.01托的真空中抽真空48小时，以得到54g的液体LiFTFSI盐组合物。
实施例5
使用LiFSI和二乙氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(80g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二甲氧基乙烷(40g)分批加入烧瓶中以溶解LiFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌反应混合物10分钟。将得到的液体溶液在35℃在<0.01托的真空中抽真空，以得到109g的液体LiFSI盐组合物，该液体LiFSI盐组合物外观为澄清无色液体。
实施例6
使用LiFSI和二乙氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在氩气气氛下，将固体LiFSI(33.1g)置于250mL圆底干燥烧瓶中。该烧瓶装配有搅拌棒，并用冰浴冷却。将无水二乙氧基乙烷(20g)分批加入烧瓶中以溶解LiFSI。在完全加入二甲氧基乙烷之后，除去冰浴，并使用搅拌棒在室温搅拌反应混合物10分钟。将烧瓶中的内容物在35℃在<0.01托的真空中抽真空48小时，以得到46g的液体LiFSI盐组合物。
实施例7
使用碳酸锂、HFSI和二甲氧基乙烷的室温液体磺酰亚胺锂盐组合物：在250mL干燥烧瓶中，将碳酸锂(14.4g)悬浮于50g无水二甲氧基乙烷。将该悬浮物用冰浴冷却。在搅拌中保持整洁，逐滴加入HFSI(72.4g)。完全加入HFSI后，除去冰浴，并将溶液在室温搅拌1小时。通过过滤除去不溶性杂质。在<0.01托的真空中于35℃将滤液抽真空48小时，以得到99.0g液体LiFSI锂盐组合物。
室温液体磺酰亚胺锂盐的示例性的用途
如上所述，本公开的一种或更多种室温液体磺酰亚胺锂盐组合物，例如上述的或根据上文描述制备的任何一种磺酰亚胺锂盐组合物，均可以用于制备用于电化学装置的电解质等等。这种电解质可以使用多种方法中的任何来制备，例如通过将本公开的一种或更多种室温液体磺酰亚胺锂盐组合物与一种或更多种溶剂、一种或更多种稀释剂和/或一种或更多种添加剂混合，溶剂、稀释剂和添加剂可以是本领域已知的，或可以简单地是纯净的一种或更多种室温液体磺酰亚胺锂盐组合物。
图2示出根据本公开的方面制成的电化学装置200。本领域的技术人员将容易地理解，电化学装置200可以是，例如，电池或超级电容器。另外，本领域的技术人员将容易地理解图2仅示出电化学装置200的一些基本功能部件，且电化学装置的现实示例，例如二次电池或超级电容器将典型地使用缠绕构造或堆叠构造来体现。此外，本领域的技术人员将理解，电化学装置200将包括其他部件，例如电子终端、密封件、热关断层(thermal shutdownlayer)和/或通风口等等，为了便于说明，这些部件在图2中未示出。
在本实施例中，电化学装置200包括隔开的正电极204和负电极208，以及一对分别对应的集电器204A、208A。多孔介电隔板212位于正电极204和负电极208之间，以电分离正电极和负电极，但是允许根据本公开制备的电解质216的离子流过。多孔介电隔板212和/或正电极204和负电极208中的一个或另一个或两者都被电解质216浸渍。如上所述，使用本公开的电解质作为电解质216的一个优点是不需要溶剂。这对于高温电池是有利的，例如，这种用于钻孔的电池等等。电化学装置200包括一个容器220，该容器容纳集电器204A、208A、正电极204和负电极208、多孔介电隔板212和纯化的MAFSI电解质216。
正如本领域的技术人员将理解的，取决于电化学装置的类型和设计，正电极204和负电极208中的每一个包括与电解质216中的离子和其他成分相容的合适的材料。集电器204A、208A中的每一个可以由任何合适的导电材料制成，例如铜或铝，或其任何组合。多孔介电隔板212可以由任何合适的多孔介电材料制成，例如，多孔聚合物等等。可以用于构造图2的电化学装置200的各种电池和超级电容器构造在本领域是已知的。如果使用任何这样的已知构造，那么电化学装置200的新颖性在于使用室温液体磺酰亚胺锂盐组合物电解质216，这是用常规的制备磺酰亚胺锂盐和相应电解质的方法尚未实现的。
在一个实施例中，电化学装置200可以按如下方法制造。首先，可以通过使用本文公开的任何方法制备一种或更多种室温液体磺酰亚胺锂盐组合物来制备电解质216。然后，可以通过例如添加一种或更多种溶剂，一种或更多种稀释剂和/或一种或更多种增强电化学装置200的性能的添加剂，将这种/这些磺酰亚胺锂盐组合物纯净地用作电解质216或用于制备电解质。然后，可以将电解质216添加到电化学装置200中，之后可以将容器220密封。
在一些实施例中，本公开的方面还可以包括在室温为液体的无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物。这种无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物还可以包括以下的特征中的一个或更多个：基本上由至少一种磺酰亚胺锂盐和至少一种醚基溶剂组成；该至少一种磺酰亚胺锂盐选自由双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)组成的组；该至少一种醚基溶剂选自由二甲氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、二氧六环和冠醚组成的组；该至少一种磺酰亚胺锂盐是LiFSI；该至少一种醚基溶剂是二乙基甲烷；该至少一种磺酰亚胺锂盐是LiTFSI；该至少一种醚基溶剂是二乙基甲烷；该至少一种磺酰亚胺锂盐是LiFTFSI；该至少一种醚基溶剂是二乙基甲烷；该至少一种磺酰亚胺锂盐是LiFSI和LiTFSI；该至少一种醚基溶剂是二乙基甲烷；基本上所有该至少一种醚基溶剂的分子与该至少一种磺酰亚胺锂盐的分子配位；以及该至少一种醚基溶剂以少于无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物的5％按重量计的量存在于无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物中。
在其他的一些实施例中，本公开的方面还可以包括本公开的制造电化学装置的方法。该方法包括使用记载在本申请提交的原始权利要求1-30中任一项所述的任何方法合成无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物，使用无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物配制电解质；提供一种电化学装置结构，其包括正电极，与正电极隔开的负电极以及在正电极和负电极之间延伸的容积，并且当其中存在电解质时，允许电解质中的离子在正电极和负电极之间移动；以及将该电解质添加到该容积中。这种示例性的方法还可以包括以下的特征中的一个或更多个：电化学装置是电化学电池，并且电化学装置结构还包括位于该容积内的隔板；该电化学电池是锂离子电池；以及该电化学电池是锂金属电池；该电化学装置是超级电容器。
在其他的一些实施例中，本公开的方面还可以包括磺酰亚胺锂盐组合物。该磺酰亚胺锂盐组合物包括将无水磺酰亚胺锂盐与至少一种无水醚基溶剂溶剂化而形成的加合物，其中该磺酰亚胺锂盐组合物基本上不含游离溶剂，并且在室温为液体。这种示例性的磺酰亚胺锂盐组合物还可以包括以下的特征中的一个或更多个：无水磺酰亚胺锂盐选自由双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)组成的组；该无水磺酰亚胺锂盐为LiFSI；该无水磺酰亚胺锂盐为LiTFSI；该无水磺酰亚胺锂盐为LiFTFSI；以及该至少一种无水醚基溶剂选自由二甲氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、二氧六环和冠醚组成的组。
在其他的一些实施例中，本公开的方面还可以包括电化学装置。该装置包括正电极；与正电极隔开的负电极；位于正电极和负电极之间的多孔介电隔板；和包含在至少多孔介电隔板内的电解质，该电解质使用本公开的任何无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物制成，例如在上文的第[0054]和[0056]段中描述的任何一种组合物。
以上是对本发明的说明性实施例的详细描述。需要注意的是，在本说明书和所附的权利要求书中，例如“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或更多个”的以短语使用的连接词，除非特别说明或以其他方式表示，将表示连接列表中的每个项目能够以除列表中所有其他项目之外的任何数量，或以与连接列表中的所有其他项目连接的任何数量存在，连接列表中的所有其他项目中的每一个也可能以任何数量存在。应用该一般规则，在前述的连接列表由X、Y和Z组成的实施例中，连接短语应当包括：一个或更多个的X；一个或更多个的Y；一个或更多个的Z；一个或更多个的X和一个或更多个的Y；一个或更多个的Y和一个或更多个的Z；一个或更多个的X和一个或更多个的Z；一个或更多个的X、一个或更多个的Y和一个或更多个的Z。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改和增加。上文描述的各种实施例的每一个的特征可以适当地与其他所述实施例的特征组合，以便在相关联的新实施例中提供多种特征组合。此外，尽管前述描述了多个单独的实施例，本文中所描述的仅仅是本发明的原理的应用的说明。此外，尽管本文中的特定方法可以被示出和/或描述为以特定顺序进行，但是在实现本公开的方面的普通技术范围内，该顺序是高度可变的。因此，该描述意味着仅仅是示例性的，并不以其他方式限制本发明的范围。

Claims (30)

1.一种合成无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物的方法，所述方法包括：
在惰性条件下，将至少一种无水磺酰亚胺锂盐与至少一种无水醚基溶剂接触以产生含有所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐的溶液，其中所述溶液中的所述至少一种无水醚基溶剂包括不与所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐加成的游离的部分；以及
除去所述溶液中所述至少一种醚基溶剂的所有的所述游离的部分，从而保留所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物，其中所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物在室温为液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐包括双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种无水醚基溶剂是二甲氧基乙烷。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在100托或更低的压力下，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在-78℃至100℃的范围内的温度，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在使所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐与最小量的所述至少一种无水醚基溶剂接触时，搅拌所述溶液并冷却所述溶液。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述最小量是所述溶液的20％按重量计至所述溶液的22％按重量计的范围。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物是LiFSI组合物，所述LiFSI组合物在室温为澄清无色液体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐包括氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一种无水醚基溶剂是二甲氧基乙烷。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，在100托或更低的压力下，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在-78℃至100℃的范围内的温度，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括在使所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐与最小量的至少一种无水醚基溶剂接触时，搅拌所述溶液并冷却所述溶液。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物是LiFTFSI组合物，所述LiFTFSI组合物在室温为澄清无色液体。
15.根据权利要求1的方法，其中，所述无水磺酰亚胺锂盐包括双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种无水醚基溶剂由二乙氧基乙烷组成。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，在100托或更低的压力下，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
18.根据权利要求17的方法，其中，在-78℃至100℃的范围内的温度，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物是LiTFSI组合物，所述LiTFSI组合物在室温为澄清无色液体。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种无水醚基溶剂选自由二甲氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷，乙氧基甲氧基甲烷、二氧六环和冠醚组成的组。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一种无水醚基溶剂的每一种的水含量为2000ppm或更低。
22.根据权利要求20的方法，其中所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐选自由双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、和氟磺酰(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiFTFSI)组成的组。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，在1托或更低的压力下，进行除去所述至少一种无水醚基溶剂的所有的游离的部分。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，在-78℃至100℃的范围内的温度，进行除去溶剂。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括在使所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐与最小量的至少一种无水醚基溶剂接触时，搅拌所述溶液并冷却所述溶液。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物在室温为澄清无色液体。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐与所述至少一种无水醚基溶剂接触包括使所述至少一种无水磺酰亚胺锂盐与制备所述溶液所需的仅最小量的所述至少一种无水醚基溶剂接触。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述最小量是所述溶液的20％按重量计至所述溶液的22％按重量计的范围。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物包含少于5％的所述至少一种无水醚基溶剂。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无游离溶剂的磺酰亚胺锂盐组合物由所述至少一种磺酰亚胺锂盐和所述至少一种无水醚基溶剂的加合物组成。
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