CN115732761A - 用于电化学电池的电解质 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系。所述电解质体系可包含有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂、或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述第二溶剂可包括氟化醚。所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。

Description

用于电化学电池的电解质
技术领域
本发明涉及用于电化学电池的电解质。
背景技术
本部分提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
为了满足包括诸如启停系统(例如12V启停系统)、电池组辅助系统、混合动力电动车(“HEV”)和电动车(“EV”)的汽车产品在内的各种产品对能量和/或功率的要求，需要先进的储能装置和系统。二次锂离子电池组的典型电化学电池包括至少两个电极和电解质和/或隔离件。两个电极中的一个可充当正电极或阴极，且另一个电极可充当负电极或阳极。隔离件可被设置在负电极和正电极之间。隔离件包括电解质，在某些方面，电解质也可以存在于所述电极中的一个或两个中。电解质通常包括溶解或分散在一种或多种非质子有机溶剂中的锂盐。电解质适于在所述电极之间传导锂离子。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
本公开涉及用于电化学电池的电解质及其制造和使用方法。所述电解质可以是非质子液体电解质。所述电化学电池可包括在二次锂金属电池组中，例如锂-NMC电池组和/或锂-硫电池组。
在各个方面，本公开提供了用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系。所述电解质体系可包含有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述第二溶剂可包括氟化醚。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐可选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
在一方面，所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
在一方面，所述醚溶剂可以是选自1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷及其组合的链状醚。
在一方面，所述醚溶剂可以是选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合的环状醚。
在一方面，所述醚溶剂可选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合。
在一方面，所述碳酸酯溶剂可以是选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)及其组合的环状碳酸酯。
在一方面，所述碳酸酯溶剂可以是选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合的直链碳酸酯。
在一方面，所述碳酸酯溶剂可选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。
在一方面，所述氟化醚可选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
在各个方面，本公开提供了循环锂离子的电化学电池。所述电化学电池可包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的隔离件，以及设置在第一电极、第二电极和隔离件中的至少一个中的电解质体系。所述第一电极可包含第一电活性材料。所述第二电极可包含第二电活性材料。所述电解质体系可包含有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述第二溶剂可包括氟化醚。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐可选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
在一方面，所述第一电活性材料可以是由NixMnyCozO2表示的高镍正电活性材料，其中x、y和z均≤1且x+y+z=1。
在一方面，所述第一电活性材料可以是选自硫(S)、硫-硒(S-Se)、硫-硅(S-Si)、硫-聚丙烯腈(S-PAN)及其组合的含硫正电活性材料。
在一方面，所述第二电活性材料可包括锂金属。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
在一方面，所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
在一方面，所述醚溶剂可选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合，所述碳酸酯溶剂可选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合，并且所述氟化醚可选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
在各个方面，本公开提供了用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系。所述电解质体系可包含有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述第二溶剂可以是氟化醚。
在各个方面，本公开提供了用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系。所述电解质体系基本由有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐组成，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂是氟化醚。
在一方面，所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
在一方面，所述醚溶剂可选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合，所述碳酸酯溶剂可选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合，并且所述氟化醚可选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
在各个方面，本公开提供了用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系。所述电解质体系由有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐组成，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂是氟化醚。
在一方面，所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
在一方面，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比可大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
在一方面，所述醚溶剂可选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合，所述碳酸酯溶剂可选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合，并且所述氟化醚可选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
本发明公开了以下实施方案：
1. 一种用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系，所述电解质体系包含：
有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐，其中所述有机溶剂的混合物包含第一溶剂和第二溶剂，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂、或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂包括氟化醚。
2. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
3. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
4. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
5. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂是选自1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷及其组合的链状醚。
6. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂是选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合的环状醚。
7. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合。
8. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂是选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)及其组合的环状碳酸酯。
9. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂是选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合的直链碳酸酯。
10. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。
11. 根据实施方案1所述的电解质体系，其中所述氟化醚选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
12. 一种循环锂离子的电化学电池，所述电化学电池包括：
包含第一电活性材料的第一电极；
包含第二电活性材料的第二电极；
设置在所述第一电极和所述第二电极之间的隔离件；以及
设置在所述第一电极、所述第二电极和所述隔离件中的至少一个中的电解质体系，其中所述电解质体系包含：
有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐，其中所述有机溶剂的混合物包含第一溶剂和第二溶剂，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂、或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂包括氟化醚。
13. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
14. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述第一电活性材料是由NixMnyCozO2表示的高镍正电活性材料，其中x、y和z均≤1且x+y+z=1。
15. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述第一电活性材料是选自硫(S)、硫-硒(S-Se)、硫-硅(S-Si)、硫-聚丙烯腈(S-PAN)及其组合的含硫正电活性材料。
16. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述第二电活性材料包含锂金属。
17. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2。
18. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
19. 根据实施方案12所述的电化学电池，其中所述醚溶剂选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合，
所述碳酸酯溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合，以及
所述氟化醚选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
20. 一种用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系，所述电解质体系包含：
有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐，其中所述有机溶剂的混合物包含第一溶剂和第二溶剂，所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比大于或等于约1:1至小于或等于约1:4，所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂包括氟化醚。
其它应用领域通过本文中提供的描述将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体实例仅意在用于说明目的，而非意在限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅为对所选实施方案而非所有可能的实施方式的说明目的，并且并非意在限制本公开的范围。
图1是示例性电化学电池组电池的示意图。
具体实施方式
提供示例性实施方案从而使得本公开将为完全的，并使本公开将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组件、装置和方法的实例，以提供对本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式表现，并且它们都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案，并且无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“涵盖”和“具有”是可兼的，并且因此指定了所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语或可被理解成替代性地为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。由此，对叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所叙述组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除了实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤，但是不在实质上影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组件、元件、特征、整数、操作和/或方法步骤可以包括在实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或举例说明的特定次序执行，除非明确确定为执行次序。还要理解的是，除非另行说明，可采用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”，“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上时，其可直接在另一组件、元件或层上，啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可存在居间元件或层。相较之下，当元件被提到“直接在另一元件或层上”，“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释(例如“在…之间”相对“直接在…之间”，“相邻”相对“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但除非另行说明，这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语可仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段与另一步骤、元件、组件、区域、层或区段进行区分。除非上下文清楚表明，术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了易于描述，在本文中可使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其它(一个或多个)元件或(一个或多个)特征的关系。除了在附图中所示的取向之外，空间或时间上的相对术语可旨在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。
遍及本公开，数值代表近似测量值或范围界限以涵盖与给定值的轻微偏差和大致具有所提及值的实施方案以及确切具有所提及值的实施方案。除了在详细描述最后提供的工作实例中之外，本说明书(包括所附权利要求)中的(例如量或条件)参数的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“约”。“约”是指所述数值允许一定的轻微不精确(在一定程度上接近该值的精确值；大致或合理地近似该值；几乎是)。如果在本领域中不以这种普通含义另行理解由“约”提供的不精确性，那么本文所用的“约”是指可由测量和使用此类参数的普通方法造成的至少偏差。例如，“约”可包括小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%，和在某些方面任选小于或等于0.1%的偏差。
此外，范围的公开包括对在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对该范围所给出的端点和子范围的公开。
现在将参照附图更充分描述示例性实施方案。
本公开涉及用于电化学电池的电解质及其制造和使用方法。所述电解质可以是非质子液体电解质。所述电化学电池可包括在二次锂金属电池组中，包括例如锂-NMC电池组和/或锂-硫电池组。
在各个方面，所述电解质体系包含有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述第二溶剂可包括氟化醚。
在各个方面，所述电解质体系基本由有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐组成，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂是氟化醚。
在各个方面，所述电解质体系由有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐组成，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂是氟化醚。
典型的锂金属电池组包括与第二电极(例如负电极或阳极)相对的第一电极(例如正电极或阴极)，以及设置在其间的隔离件和/或电解质。通常，在锂金属电池包中，电池组或电池可以以堆叠或缠绕配置进行电连接以增加总输出。锂金属电池组通过在第一电极和第二电极之间可逆地传导锂离子来运行。例如，在电池组充电的过程中，锂离子可以从正电极移动到负电极，而在电池组放电的过程中，锂离子可以在相反的方向上移动。电解质适于传导锂离子，并且可以是液体、凝胶或固体形式。例如，图1中示出了电化学电池(也被称为电池组)20的示例性和示意性图示。
这样的电池用于车辆或汽车运输应用(例如，摩托车、船、拖拉机、公共汽车、移动房屋、露营车和坦克)。然而，本技术可用于多种其它行业和应用中，作为非限制性的实例包括航空航天组件、消费品、设备、建筑物(例如房屋、办公室、棚屋和仓库)、办公设备和家具，以及工业机械设备、农业或农场设备、或重型机械。此外，尽管图示的实例包括单个正电极(阴极)和单个阳极，但本领域技术人员将认识到，本教导适用于各种其它配置，包括具有一个或多个阴极和一个或多个阳极、以及具有布置在其一个或多个表面上或与其一个或多个表面相邻布置的电活性层的各种集流体的那些。
电池组20包括负电极22(例如阳极)、正电极24(例如阴极)以及布置在两个电极22和24之间的隔离件26。隔离件26在电极22和电极24之间提供电隔离以防止物理接触。隔离件26还提供了在锂离子的循环过程中用于锂离子内部通行的最小电阻路径，并且在某些情况下还涉及阴离子。在各个方面，隔离件26包括电解质30，在某些方面，电解质30还可以存在于负电极22和正电极24中。
负电极集流体32可以设置在负电极22处或附近。负电极集流体32可以是包含铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料在金属箔、金属网格或筛网、或多孔金属网(expanded metal)。正电极集流体34可以设置在正电极24处或附近。正电极集流体34可以是包含铝或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料的金属箔、金属网格或筛网、或多孔金属网。负电极集流体32和正电极集流体34分别将自由电子收集并移动到外部电路40和从外部电路40收集并移动自由电子。例如，可中断外部电路40和负载设备42可以连接负电极22(通过负电极集流体32)和正电极24(通过正电极集流体34)。
电池组20可以通过在外部电路40闭合(以连接负电极22和正电极24)且负电极22具有低于正电极的电势时发生的可逆电化学反应在放电过程中产生电流。正电极24和负电极22之间的化学势差将在负电极22处由反应(例如金属锂的氧化)产生的电子通过外部电路40向正电极24驱动。在负电极22处还产生的锂离子同时通过隔离件26中所含的电解质30向正电极24转移。电子流经外部电路40且锂离子穿过含有电解质30的隔离件26迁移以在正电极24处形成嵌入锂(intercalated lithium)。如上文所述，电解质30通常还存在于负电极22和正电极24中。可以通过负载设备42利用和引导流经外部电路40的电流，直到正电极24在选定的放电电压下无法摄取或吸收更多的锂，并且电池组20的容量降低。
可以在任何时间通过将外部电源连接到锂离子电池组20以逆转电池组放电过程中发生的电化学反应，来为电池组20充电或重新供能。将外部电源连接到电池组20促进正电极24处的反应，例如，嵌入锂的非自发氧化，使得产生电子和锂离子。锂离子通过电解质30穿过隔离件26流回负电极22，以用锂(例如，沉积锂)补充负电极22，以在下一次电池组放电事件的过程中使用。因此，完全的放电事件接着完全的充电事件被认为是一次循环，其中锂离子在正电极24和负电极22之间循环。可用于为电池组20充电的外部电源可根据电池组20的尺寸、构造和特定的终端用途而不同。一些值得注意和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装插座连接到AC电力网的AC-DC转换器和机动车交流发电机。
在许多锂金属电池组配置中，将负电极集流体32、负电极22、隔离件26、正电极24和正电极集流体34中的每一个制备为相对薄的层(例如，厚度为从几微米至几分之一毫米或更小)，并以电并联布置连接的层的方式进行组装，以提供合适的电能和功率包。在各个方面，电池组20还可以包括多种其它组件，这些组件虽然没有在本文中描述，但对于本领域的技术人员来说是已知的。例如，电池组20可以包括外壳、垫圈、端子盖、极耳、电池组端子和可以位于电池组20内(包括位于负电极22、正电极24和/或隔离件26之间或其附近)的任何其它常规组件或材料。图1中所示的电池组20包括液体电解质30，并示出了电池组运行的代表性构思。然而，本技术也适用于同时包括液体电解质30和固态电解质(例如，固态电活性粒子)二者的半固态电池组，其可以具有本领域技术人员已知的不同设计。
如上文所述，电池组20的尺寸和形状可根据对其进行设计的特定应用而不同。例如，电池组供能的车辆和手持式消费电子设备是其中电池组20最有可能被设计为不同尺寸、容量和功率输出规格的两个实例。如果负载设备42需要，电池组20还可以与其它类似的锂金属电池或电池组串联或并联连接，以产生更大的电压输出、能量和功率。因此，电池组20可以向作为外部电路40一部分的负载设备42生成电流。负载设备42可由电池组20放电时流经外部电路40的电流来供电。虽然电力负载设备42可以是任何数量的已知电动设备，但其一些具体的实例包括电动车的电机、笔记本电脑、平板电脑、移动电话和无绳电动工具或电器。负载设备42还可以是给以储存电能为目的的电池组20充电的发电装置。
重新参照图1，正电极24、负电极22和隔离件26可以各自在其孔隙内包含能够在负电极22和正电极24之间传导锂离子的电解质溶液或电解质体系30。如下文所进一步详述的，根据本公开的各个方面的电解质30能够使电池组20具有高能量和长循环寿命。
在各个方面，电解质30是非质子液体电解质溶液，其包含溶解或分散在有机溶剂或有机溶剂的混合物中的锂盐。所述锂盐可以是脂族氟化二磺酰亚胺锂盐。脂族氟化二磺酰亚胺锂盐可以选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
在各个方面，所述有机溶剂的混合物包含一种或多种共溶剂(co-solvent)。例如，所述有机溶剂的混合物包含第一溶剂和第二溶剂。所述第一溶剂可包括醚溶剂、碳酸酯溶剂或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物。所述醚溶剂可包括链状结构醚(例如，1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)和/或环状醚(例如，四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)。所述碳酸酯溶剂可包括环状碳酸酯(例如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC))、和/或直链碳酸酯(例如，碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))。所述第二溶剂可包括氟化醚，例如双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂对第二溶剂的摩尔比大于或等于约1:1至小于或等于约1:4的第一溶剂和第二溶剂。所述有机溶剂的混合物可包含第一溶剂对第二溶剂的摩尔比大于或等于1:1至小于或等于1:4的第一溶剂和第二溶剂。在某些变型中，电解质30可包含锂盐对第一共溶剂的摩尔比大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2的锂盐和第一共溶剂。电解质30可包含锂盐对第一共溶剂的摩尔比大于或等于1:1.2至小于或等于1:2的锂盐和第一共溶剂。
在某些情况下，多孔隔离件26可以包括含有聚烯烃的微孔聚合物隔离件。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体成分)或异聚物(衍生自多于一种的单体成分)，其可以是直链或支化的。如果异聚物衍生自两种单体成分，则聚烯烃可以具有任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些排列。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种的单体成分的异聚物，则其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、或聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)的共混物，或多层结构的PE和/或PP多孔膜。可商购的聚烯烃多孔隔离膜26包括可从Celgard LLC.获得的CELGARD® 2500(单层聚丙烯隔离件)和CELGARD® 2320(三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件)。
当隔离件26是微孔聚合物隔离件时，其可以是单层或多层层压件，其可以由干法或湿法工艺制作。例如，在某些情况下，单个聚烯烃层可以形成整个隔离件26。在其它方面，隔离件26可以是具有在相对的表面之间延伸的大量孔隙的纤维膜，并且例如可以具有小于一毫米的平均厚度。然而，作为另一个实例，可以将多个相似或不相似的聚烯烃的离散层组装起来以形成微孔聚合物隔离件26。除聚烯烃之外，隔离件26还可包含其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚(酰胺-酰亚胺)共聚物、聚醚酰亚胺和/或纤维素，或适合创建所需的多孔结构的任何其它材料。聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可进一步作为纤维层包括在隔离件26中，以帮助提供具有合适的结构和孔隙率特性的隔离件26。
在某些方面，隔离件26可进一步包括一种或多种陶瓷材料和耐热材料。例如，隔离件26也可以与陶瓷材料和/或耐热材料掺混，或者隔离件26的一个或多个表面可以涂覆有陶瓷材料和/或耐热材料。在某些变型中，可以将陶瓷材料和/或耐热材料布置在隔离件26的一个或多个侧面上。所述陶瓷材料可选自：氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)及其组合。所述耐热材料可选自：Nomex、Aramid及其组合。
考虑了用于形成隔离件26的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可用于生产此类微孔聚合物隔离件26的许多制造方法。在每种情况下，隔离件26可以具有大于或等于约1µm至小于或等于约50µm，并且在某些情况下，任选地大于或等于约1µm至小于或等于约20µm的厚度。隔离件26可以具有大于或等于1µm至小于或等于50µm，并且在某些情况下，任选地大于或等于1µm至小于或等于20µm的厚度。
负电极22由能够充当电池组20的负极端子的基质材料形成。在各个方面，负电极22可由多个负电活性材料粒子(未示出)限定。可以将这样的负电活性材料粒子布置在一个或多个层中，以限定负电极22的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后引入，并包含在负电极22的孔隙(未示出)内。例如，在某些变型中，负电极22可以包括多个固态电解质粒子(未示出)。在每种情况下，负电极22(包括所述一个或多个层)可具有大于或等于约1µm至小于或等于约500µm，并且在某些方面，任选地大于或等于约10µm至小于或等于约200µm的厚度。负电极22(包括所述一个或多个层)可具有大于或等于1µm至小于或等于500µm，并且在某些方面，任选地大于或等于10µm至小于或等于200µm的厚度。
在各个方面，负电极22可包括含锂的负电活性材料，例如，锂金属箔或锂金属粉。在某些变型中，负电极可以是由锂金属形成的膜或层。在某些变型中，负电极22中的一种或多种负电活性材料可以任选地与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善负电极22的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
例如，负电极22中的一种或多种负电活性材料可以任选地与粘合剂如聚酰亚胺、聚酰胺酸、聚酰胺、聚砜、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙(EPDM)橡胶、或羧甲基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠或藻酸锂混杂(例如浆料浇注)。导电材料可包括碳基材料、粉状镍或其它金属粒子，或导电聚合物。碳基材料可包括，例如，石墨、乙炔黑(例如KETCHENTM黑或DENKATM黑)、碳纤维和纳米管、石墨烯等的粒子。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可以使用导电材料的混合物。
在各个方面，负电极22可包含：大于或等于约5重量％至小于或等于约99重量％、任选地大于或等于约10重量％至小于或等于约99重量％、并且在某些变型中大于或等于约50重量％至小于或等于约95重量％的一种或多种负电活性材料；大于或等于0重量至小于或等于约40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约1重量％至小于或等于约20重量％的一种或多种导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于约40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约1重量％至小于或等于约20重量％的至少一种聚合物粘合剂。
在各个方面，负电极22可包含：大于或等于5重量％至小于或等于99重量％、任选地大于或等于10重量％至小于或等于99重量％、并且在某些变型中大于或等于50重量％至小于或等于95重量％的一种或多种负电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于1重量％至小于或等于20重量％的一种或多种导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于1重量％至小于或等于20重量％的至少一种聚合物粘合剂。
正电极24可以由锂基活性材料形成，该材料能够进行锂嵌入和脱嵌、合金化和脱合金化、或电镀和剥离，同时充当电池组20的正端子。正电极24可以由多个电活性材料粒子(未示出)来限定。可以将这样的正电活性材料粒子布置在一个或多个层中，以限定正电极24的三维结构。电解质30可以例如在电池组装之后引入，并包含在正电极24的孔隙(未示出)内。例如，在某些变型中，正电极24可以包括多个固态电解质粒子(未示出)。在每种情况下，正电极24可具有大于或等于约1µm至小于或等于约500µm，并且在某些方面，任选地大于或等于约10µm至小于或等于约200µm的厚度。正电极24可具有大于或等于1µm至小于或等于500µm，并且在某些方面，任选地大于或等于10µm至小于或等于200µm的厚度。
可用于形成正电极24的一类示例性常用的已知材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，在某些方面，正电极24可以包含一种或多种具有尖晶石结构的材料，例如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn2O4，其中0.1≤x≤1)(LMO)、锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4，其中0≤x≤0.5)(NMC)(例如，LiMn1.5Ni0.5O4)；一种或多种具有层状结构的材料，例如锂钴氧化物(LiCoO2)、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)(例如，LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2)，或锂镍钴金属氧化物(LiNi(1-x-y)CoxMyO2，其中0<x<0.2，y<0.2，且M可以是Al、Mg、Ti等)；或具有橄榄石结构的锂铁多阴离子氧化物，例如磷酸铁锂(LiFePO4)(LFP)、磷酸锰铁锂(LiMn2-xFexPO4，其中0<x<0.3)(LMFP)或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F)。
在其它情况下，例如在锂硫电池组的情况下，正电极24包括含硫正电活性材料。所述含硫正电活性材料可以选自：硫(S)、硫-硒(S-Se)、硫-硅(S-Si)、硫-聚丙烯腈(S-PAN)及其组合。在这种情况下，正电极24也可以包含硫基质材料。例如，正电极24可包含大于或等于约20重量％至小于或等于约98重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约60重量％至小于或等于约90重量％的含硫正电活性材料，以及大于或等于约2重量％至小于或等于约60重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约10重量％至小于或等于约30重量％的硫基质材料。正电极24可包含大于或等于20重量％至小于或等于98重量％、并且在某些方面任选地大于或等于60重量％至小于或等于90重量％的含硫正电活性材料，以及大于或等于2重量％至小于或等于60重量％，并且在某些方面任选地大于或等于10重量％至小于或等于30重量％的硫基质材料。
在各个方面，硫基质材料可以是碳基基质，包括例如(仅举例)碳纳米管、无定形碳(例如碳黑，如KETJENBLACK®)、多孔碳、碳纳米纤维、碳球、碳纳米笼、石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、经掺杂的碳(例如N-掺杂的碳纳米管)及混合体(hybrid)等。在某些变型中，硫基质材料可以是基于导电聚合物的基质，包括例如(仅举例)聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(Pt)、聚苯胺(PAni)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)等。在其它变型中，硫基质材料可以是基于金属氧化物的基质，包括例如(仅举例)TiO2、SiO2、CoS2、Ti4O7、CeO2、MoO3、V2O5、SnO2等；基于金属硫化物的基质，包括例如(仅举例)Ni3S2、MoS2、FeS、VS2、TiS2、TiS、CoS2、Co9S8、NbS等。基于金属氮化物的基质，包括例如(仅举例)VN、TiN、Ni2N、CrN、ZrN、NbN等；基于金属碳化物的基质，包括例如(仅举例)TiC、Ti2C、B4C等；基于金属-有机框架(MOF)的基质，包括例如(仅举例)Ni基-MOF、Ce基-MOF等；以及其混合体或其组合(例如聚吡咯/石墨烯、氮化钒/石墨烯，等等)。在再其它变型中，硫基质材料可以包括MgB2、TiCl2、磷烯(phosphorene)、C3B、Li4Ti5O12等。这样的硫基质材料可以加强硫/基质界面处的电子转移，适应电池组20内的体积变化，使多硫化物穿梭效应(shuttle)最小化，和/或促进多硫化物中间产物之间的转化。
在每种情况下，正电极24中的一种或多种正电活性材料可以任选地与提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善正电极24的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，正电极24中的一种或多种正电活性材料可以任选地与粘合剂如聚酰亚胺、聚酰胺酸、聚酰胺、聚砜、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙(EPDM)橡胶、或羧甲基纤维素(CMC)、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸锂(LiPAA)、聚丙烯酸钠(NaPAA)、藻酸钠或藻酸锂混杂(例如浆料浇注)。导电材料可包括碳基材料、粉状镍或其它金属粒子，或导电聚合物。碳基材料可包括，例如，石墨、乙炔黑(例如KETCHENTM黑或DENKATM黑)、碳纤维和纳米管、石墨烯等的粒子。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等。在某些方面，可以使用导电材料的混合物。
在各个方面，正电极24可包含：大于或等于约5重量％至小于或等于约99重量％、任选地大于或等于约10重量％至小于或等于约99重量％、并且在某些变型中大于或等于约50重量％至小于或等于约98重量％的一种或多种正电活性材料；大于或等于0重量至小于或等于约40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约1重量％至小于或等于约20重量％的一种或多种导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于约40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于约1重量％至小于或等于约20重量％的至少一种聚合物粘合剂。
在各个方面，正电极24可包含：大于或等于5重量％至小于或等于99重量％、任选地大于或等于10重量％至小于或等于99重量％、并且在某些变型中大于或等于50重量％至小于或等于98重量％的一种或多种正电活性材料；大于或等于0重量％至小于或等于40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于1重量％至小于或等于20重量％的一种或多种导电材料；以及大于或等于0重量％至小于或等于40重量％、并且在某些方面任选地大于或等于1重量％至小于或等于20重量％的至少一种聚合物粘合剂。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方案的前述描述。其并非意在穷举或限制本公开。特定实施方案的单个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的并可以在所选实施方案中使用，即使并未具体示出或描述。其同样也可以以多种方式变化。此类变化不应被视为背离本公开，并且所有此类修改均意在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于电化学电池的循环锂离子的电解质体系，所述电解质体系包含：
有机溶剂的混合物中的脂族氟化二磺酰亚胺锂盐，其中所述有机溶剂的混合物包含第一溶剂和第二溶剂，所述第一溶剂包括醚溶剂、碳酸酯溶剂、或醚溶剂和碳酸酯溶剂的混合物，并且所述第二溶剂包括氟化醚。
2.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐选自：双(氟磺酰)亚胺锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂、(氟磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺锂及其组合。
3.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述脂族氟化二磺酰亚胺锂盐对所述第一溶剂的摩尔比大于或等于约1:1.2至小于或等于约1:2，
其中所述第一溶剂对所述第二溶剂的摩尔比大于或等于约1:1至小于或等于约1:4。
4.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂是选自1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷及其组合的链状醚。
5.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂是选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合的环状醚。
6.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述醚溶剂选自：1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃及其组合。
7.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂是选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)及其组合的环状碳酸酯。
8.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂是选自碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合的直链碳酸酯。
9.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述碳酸酯溶剂选自：碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)及其组合。
10.根据权利要求1所述的电解质体系，其中所述氟化醚选自：双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基-2,2,2-三氟乙基醚及其组合。
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