CN116075959A - 基于磺酰基的电解质溶剂、由其制成的电解质以及使用这样的电解质制成的电化学装置 - Google Patents
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Abstract
用于在电化学装置诸如二次电池中使用的电解质的基于磺酰基的溶剂体系。在一些实施方案中，本公开内容的溶剂体系包括基于磺酰基(‑SO2‑)的溶剂，任选地与一种或更多种不同的基于磺酰基的溶剂和/或一种或更多种基于非磺酰基的溶剂组合。公开了可用于本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系的基于磺酰基的溶剂的五个示例性化学结构。还公开了包括溶解在本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系中的一种或更多种盐诸如一种或更多种碱金属盐的电解质。所公开的电解质的适当制剂可以导致一种或更多种益处，包括但不限于改善的循环寿命、改善的低温操作和降低的易燃性。
Description
相关申请数据
本申请要求于2020年9月11日提交的且标题为“Class of Sulfonyl-TypeElectrolyte Solvents,and Electrolytes Made Therewith and ElectrochemicalDevices Made Using Such Electrolytes”的美国临时专利申请序列号63/077,305，于2020年10月28日提交的且标题为“Class of Sulfonyl-Type Electrolyte Solvents,andElectrolytes Made Therewith and Electrochemical Devices Made Using SuchElectrolytes”的美国临时专利申请序列号63/106,467，以及于2021年3月18日提交的且标题为“Class of Sulfonyl-Type Electrolyte Solvents,and Electrolytes MadeTherewith and Electrochemical Devices Made Using Such Electrolytes”的美国临时专利申请序列号63/162,634的优先权的权益，其中每一个临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
发明领域
本发明总体上涉及用于电化学装置的电解质领域。特别地，本发明涉及基于磺酰基的电解质溶剂、由其制成的电解质以及使用这样的电解质制成的电化学装置。
背景
鉴于Li电镀/剥离的低库仑效率(CE)、锂枝晶(lithium dendrite)的进展性生长以及基于常规的现有电解质的高能量Li金属电池(Li metal battery)(LMB)的差的循环寿命，在新的电解质发现方面的一些成功将是合意的。即使具有高达4.5V的对阴极的高氧化稳定性，最初被设计用于Li离子电池的传统的基于碳酸酯的电解质也不能很好地与锂金属阳极可再充电电池一起工作，这是由于在锂金属沉积/剥离循环期间严重的锂枝晶形成。高浓度的基于碳酸盐的电解质改善了锂沉积形态，但由于其对锂金属阳极的高还原反应性而仍然是不合意的，导致低的锂金属循环CE和短的循环寿命。基于醚的电解质呈现出对锂金属的更好的化学稳定性，并且高浓度的基于醚的电解质，包括基于醚的局部化高浓度的电解质，将醚的氧化电化学稳定性窗口扩展到高达4.3V，以使得能够实现4V锂金属可再充电电池的显著改善的循环寿命。然而，基于醚的电解质由于醚官能团的低的氧化稳定性而具有固有的弱点，该醚官能团可以在高压(>3.5V)阴极表面处，特别是在高温(>45℃)容易被氧化为未配位的溶剂，导致过度的电池阻抗生长并引起电池失效。通常报告的基于碳酸酯的电解质体系和基于醚的电解质体系两者对于锂金属可再充电电池应用都具有缺点和局限性。
如何增强LMB中下一代电解质对Li阳极的热力学/动力学稳定性和在高压时的氧化稳定性是具有挑战性的，但也是重要的，这与用于多种应用的跨度的高能量LMB的进一步开发直接相关，特别是在电动交通工具(EV)中。因此，寻找一种与锂金属阳极相容并有效钝化锂金属阳极并且同时在高压阴极(>4V)处是氧化稳定的替代电解质溶剂体系对于实现锂金属阳极电池长的循环寿命是合意的。
当与用于可再充电LMB的多种已知的溶剂(例如，典型的碳酸酯溶剂和醚溶剂)相比时，理论上一类新的磺酰基溶剂能够在电池充电期间在较高电压时具有更好的抗氧化性能，并且对Li金属阳极具有更有效的钝化能力。最近，包括LiFSI盐和LiPF6盐以及单一N,N-二甲基氨磺酰氟(N,N-dimethylsulfamoyl fluoride)(DSF)溶剂的电解质被报告为改善电池循环。然而，用这种单一的基于磺酰基的电解质获得的LMB中的Li电镀/剥离的所报告的库仑效率(99.03％)仍然不令人满意。此外，DSF本身存在一些不合意的性质，诸如促进高的溶剂挥发性的与大多数盐的差的配位能力、不是很满意的氧化稳定性、引起有限的低温性能的高熔点、由于所溶解的高浓度盐而导致的高成本、高粘度和无阻燃性以及其他不合意的性质。
本公开内容的概述
在一种实施方式中，本公开内容涉及一种用于电化学装置的电解质，该电化学装置具有碱金属阳极，该碱金属阳极具有包含碱金属的阳极活性材料。电解质包括基于磺酰基的溶剂体系，该基于磺酰基的溶剂体系包含一种或更多种基于磺酰基的溶剂，所述一种或更多种基于磺酰基的溶剂各自具有以下通用分子结构中的一种：结构1：R1-SO2-R2，其中：R1和R2中的每一个是以下中的任一种：-F；-CF3；-N(SO2F)2；-N(CH3)SO2F；-N[(CH2)xCH3)][(CH2)yCH3)](x＝0至3，y＝0至3)；-N[(CH2)xCH3][(CH2)yCH＝CH(CH2)z-H](x＝0至2，y＝1至3，z＝0至3)；-(CH2)xCH＝CH(CH2)y-H(x＝0至3，y＝0至3)；-C6H5-xFx(x＝0至5)；-(CH2)x(CH2- yFy)zCH3-wFw(x＝0至2，y＝1至2，z＝0至2，w＝0至3)；-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；和-(CH2)xCH＝CH(CH2-yFy)zF(x＝0至3，y＝0至2，z＝0至2)；并且R1≠R2或R1＝R2；结构2：-R3-SO2N-R5SO2-R4-，其中：R3和R4中的每一个是以下中的任一种：-CF2；-CH2-；-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和-CH((CH2- xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；R3≠R4或R3＝R4；并且R5是以下中的任一种：-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；结构3：-R6-SO2N-(R8)R7-，其中：R6和R7中的每一个是以下中的任一种：-CF2-；-CH2-；-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；R6≠R7或R6＝R7；并且R8可以是以下中的任一种：-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；结构4：R9-SO2N-(R10)(R11)，其中：R9可以是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)，R10可以是-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)，R11可以是-(CH2)xCH3(x＝0至3)或-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；R10≠R11或R10＝R11；以及结构5：R12-SO2-R13，其中：R13内是含氮(N)的环结构、含氧(O)的环结构、仅含烃的环结构或含(N+O)混合物的环结构；R12是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；R13是以下中的任一种：-N(CH2)4(1-吡咯烷基五元环)；-N(CH2)5(1-哌啶基六元环)；-N(CH2CH2)2O(4-吗啉基六元环)；-C5H9(环戊烷)；-C6H11(环己烷)；-C4H7O(2-四氢呋喃或3-四氢呋喃)；及其氟化类似物；以及至少一种碱金属盐，该至少一种碱金属盐溶解在一种或更多种基于磺酰基的溶剂中，碱金属盐具有包含阳极活性材料的碱金属的阳离子；其中当电解质包含单一溶剂并且单一溶剂具有结构1时，结构1不包括作为与-F或-CF3组合的-N(CH3)2的R1和R2。
在另一种实施方式中，本公开内容涉及一种用于电化学装置的电解质，该电化学装置具有碱金属阳极，该碱金属阳极具有包含碱金属的阳极活性材料。电解质包括混合的基于磺酰基的溶剂体系，该混合的基于磺酰基的溶剂体系包括：第一溶剂，其是第一基于磺酰基的溶剂；和第二溶剂，其选自由第二基于磺酰基的溶剂和基于非磺酰基的溶剂组成的组；以及至少一种碱金属盐，该至少一种碱金属盐溶解在混合的基于磺酰基的溶剂体系中，碱金属盐具有包含阳极活性材料的碱金属的阳离子。
附图简述
出于说明本公开内容的实施方案的目的，附图示出了本文描述的一种或更多种实施方案的方面。然而，应该理解，本发明不限于附图中示出的精确布置和手段，在附图中：
图1A是容量保持率相对于循环次数的图，图示出了相对于使用包含非混合的基于磺酰基的溶剂体系的电解质的无阳极袋式电池(anode-free pouch cell)的循环稳定性，使用包含本公开内容的混合的基于磺酰基的溶剂体系的电解质的无阳极袋式电池的更高的循环稳定性；
图1B是图1A中表示的无阳极袋式电池的库仑效率的图；
图2A是包括锂金属阳极和Li/NMC811阴极的袋式电池的容量保持率相对于循环次数的图，其中一个袋式电池使用包含本公开内容的混合的基于磺酰基的溶剂体系的电解质，而另一个袋式电池使用包含非混合的基于磺酰基的溶剂体系的电解质；
图2B是图2A的袋式电池的库仑效率相对于循环次数的图；
图2C是图2A的袋式电池的充电容量相对于循环次数的图；
图3是图示出在10℃在盐溶解度上限下，包括包含LiFSI和DFS及EMSF的混合的基于磺酰基的溶剂体系的电解质的盐-溶剂摩尔比相对于体积比和盐摩尔浓度相对于体积比的混合图；
图4是来自包括本公开内容的DFS-EMSF混合的基于磺酰基的溶剂体系的许多电解质和仅包含DFS作为溶剂体系的一种电解质的差示扫描量热法的热流(heat flow)相对于温度的图；
图5是来自基于醚的电解质和基于磺酰基的电解质的线性扫描伏安法(LSV)扫描的电流密度相对于电位的图，图示出了在较高温度和高电压的基于磺酰基的电解质相对于基于醚的电解质的较低的氧化电流密度；
图6是来自混合的基于磺酰基的电解质和单一的基于磺酰基的电解质的LSV扫描的电流密度相对于电位的图，图示出了混合的基于磺酰基的电解质相对于单一的基于磺酰基的电解质的优异的氧化稳定性；
图7是来自图5的基于醚的电解质和基于磺酰基的电解质的使用铝电极的循环伏安法(CV)的电流相对于电压的图，图示出了对于两种电解质在一个循环之后铝电极的钝化；以及
图8是来自图6的混合的基于磺酰基的电解质和单一的基于磺酰基的电解质的使用铝电极的CV的电流相对于电压的图，图示出了混合的基于磺酰基的电解质比单一的基于磺酰基的电解质对铝电极的更快钝化。
详述
在锂金属电池的背景中，一个关键的技术问题是有限的循环寿命，这可归因于在循环期间在大多数常规电解质中锂阳极的低的库仑效率(CE)。此外，一些常规电解质对锂金属阳极是稳定的，但对4V阴极材料是氧化不稳定的，特别是在高于室温(～20℃)的温度。一些常规电解质可以保持在液相中，并且在室温和更高的温度(例如，>45℃)是导电的，但是由于相分离和冷冻，它们在低温(例如，<0℃)不能很好地工作。
为了解决这些问题和其他问题，本文公开的新的基于磺酰基的电解质可以呈现出单独地和彼此多种组合地与锂的较少副反应，引起减小的锂沉积表面积，显著增加锂电镀/剥离的CE，抑制锂枝晶生长，使溶剂在高电压(>4.5V)和高温(>45℃)的氧化分解最小化和扩展液态温度范围，以便提供循环寿命和高温/低温稳定性的显著改善。新的基于磺酰基的电解质的循环稳定性也已经在不同的测试方案中得到验证。通过将本文公开的一类新的基于磺酰基的溶剂体系与电解质制剂设计相结合，依赖于这些新的基于磺酰基的溶剂体系的锂金属电池和电池(lithium-metal cells and batteries)已经展示出持久的循环、高能量密度和改善的安全性。
在进行更详细的描述之前，应当注意，在整个本公开内容中，术语“约”当与对应的数值一起使用时是指数值的±20％，典型地数值的±10％，通常是数值的±5％，并且更通常是数值的±2％。在一些实施方案中，术语“约”可以意指数值本身。
在一些方面中，本公开内容涉及用于电化学装置，诸如一次电池和二次电池及超级电容器以及其他电化学装置的基于磺酰基的溶剂体系。本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系在用于二次碱金属金属电池(AMMB)，诸如锂金属电池(LMB)时是特别有效的，其中阳极是非嵌入型的，并且包括作为阳极活性材料的碱金属(例如锂(Li)、钠(Na)、钾(K))或其合金。
在本公开内容和所附权利要求的上下文中，术语“基于磺酰基的溶剂”和类似术语意指溶剂包含这样的分子，所述分子各自包含至少一个磺酰基(-SO2-)基团，每个磺酰基(-SO2-)基团在每个氧原子和硫原子之间具有双键(O＝S＝O)；连同两个取代基Rn(n＝2)；以及任选地与至少一个SO2基团键合的氮原子。在一些实施方案中，本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系包括单一的基于磺酰基的溶剂，具有或不具有一种或更多种基于非磺酰基的溶剂。在一些实施方案中，单一的基于磺酰基的溶剂体系可以包括常规的、可商购的基于磺酰基的溶剂，诸如N,N-二甲基氨磺酰氟(C2H6FNO2S，DSF)的改性分子结构。在一些实施方案中，本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系包括两种或更多种本公开内容的基于磺酰基的溶剂，具有或不具有一种或更多种基于非磺酰基的溶剂。应当注意，当基于磺酰基的溶剂体系包括两种或更多种本公开内容的基于磺酰基的溶剂时，这样的溶剂体系在本文中被描述为“混合的基于磺酰基的溶剂体系”。本公开内容的基于磺酰基的溶剂的化学结构的详述的实例在下文呈现。
在一些方面中，本公开内容涉及使用本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系制成的电解质，并且为了方便起见，这些电解质在本文中和在所附的权利要求中被称为“基于磺酰基的电解质”。本公开内容的基于磺酰基的电解质包括本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系、适用于预期的电化学装置的一种或更多种盐，以及任选地一种或更多种其他组分，诸如被添加以改善基于磺酰基的电解质的一种或更多种性质或特征的一种或更多种添加剂。在AMMB的上下文中，每种盐典型地将包括相关的碱金属作为阳离子。用于本公开内容的基于磺酰基的电解质的盐和盐组合的非穷举性实例在下文呈现。
由使用本公开内容的基于磺酰基的电解质引起的对AMMB(包括LMB)的益处包括单独地和/或彼此多种组合地以下益处，这取决于所论述的情况。本公开内容的基于磺酰基的电解质可以具有对碱金属阳极(例如，Li-金属阳极)的极高的稳定性(例如，碱金属(例如，Li)电镀/剥离库仑效率(CE)>约99.0％或甚至>约99.5％或更高)和高的抗氧化能力(例如，氧化电压>约4.3V或甚至>约4.8V)，这可以导致相对于仅利用常规的基于非磺酰基的溶剂体系的AMMB(包括LMB)的改善的循环性能。通过如本文公开的一类新的基于磺酰基的溶剂的分子设计，新发现的包含单一的基于磺酰基的溶剂体系或混合的基于磺酰基的溶剂体系的基于磺酰基的电解质可以实现在AMMB诸如LMB的阴极和阳极处的非常高的化学稳定性和电化学稳定性、增强的宽温度性能、非易燃性性能、低成本、高安全性以及与电池制成和加工的良好相容性。虽然本公开内容的基于磺酰基的电解质对于AMMB是特别有用的，但它们的用途不限于此。
如上文提到的，在一些实施方案中，本公开内容的基于磺酰基的溶剂可以包括DSF的改性形式。例如，改善DSF的氧化稳定性的一种途径是用具有较小给电子能力的有机基团，诸如饱和的或不饱和的烃基团(例如，烷基基团、烯烃基团、炔烃基团或芳香族基团，具有或不具有氟取代基)替换DSF中的给电子胺基团-N(CH3)2，用吸电子取代基(例如，氟取代的烷基基团、氧基烷基基团)替换至少一个甲基基团，等等。作为实例，DSF的熔点可以通过以下来降低：用非对称基团，诸如-N(CH3)(CH2CH3)基团替换DSF中的对称-N(CH3)2胺基团，产生N-乙基,N-甲基氨磺酰氟(EMSF)并将DSF的熔点从-16℃降低至-65℃，或者，例如，通过用较长的基于烃的取代基诸如-N(CH2CH3)2替换DSF中的-N(CH3)2基团，产生二乙基氨磺酰氟(DESF)并将DSF的熔点从-16℃降低至-35℃。此外，通过用两个甲氧基乙基基团替换-N上的两个甲基基团而获得的双(2-甲氧基乙基)氨磺酰氟(BMSF)具有升高的沸点(290℃)和低熔点(-37℃)，这有益于具有含BMSF的电解质的宽的操作温度范围。
本公开内容的基于磺酰基的电解质和AMMB的碱金属阳极，诸如LMB的锂金属阳极之间的相互作用在碱金属阳极上形成固体电解质界面(SEI)层，以在电池操作期间保护碱金属，类似于常规电解质形成SEI层。类似的阴极电解质界面(CEI)层同样可以在AMMB的阴极上形成。为了进一步改善SEI层和/或CEI层的稳定性，可以是用于与在电解质/电极界面上形成的无机组分组合形成有机聚合物的前体的不饱和有机基团可以被引入到基于磺酰基的溶剂的结构中。例如，乙烯磺酰氟(C2H3SO2F，ESF)中的乙烯(＝CH2)可以是这样的不饱和有机基团。
同样如上文提到的，本公开内容的一些实施方案涉及混合的基于磺酰基的溶剂体系，该混合的基于磺酰基的溶剂体系包括两种或更多种基于磺酰基的溶剂的混合物。使用混合的基于磺酰基的溶剂体系的协同效应已经在使用这样的体系的基于磺酰基的电解质中观察到。例如，使用混合的基于磺酰基的溶剂体系允许电解质中的多种基于磺酰基的溶剂与一种或更多种盐的相互作用，并且这样的相互作用可以导致不同的(相对于常规的溶剂体系和/或单一的基于磺酰基的溶剂体系)和/或新颖的：盐-溶剂溶剂化结构；盐溶解度；两种本体电解质中和固体-电解质界面上的物理/化学/电化学性质。本公开内容的混合的基于磺酰基的溶剂体系的这样的不同的和/或新颖的方面可以导致优异的整体电池性能，这是用单一的基于磺酰基的溶剂体系或常规的溶剂体系无法实现的。示例性的混合的基于磺酰基的溶剂体系包括DSF+ESF和DSF+EMSF，以及其他。
在一个实例中，本公开内容的基于磺酰基的电解质包括溶解在混合的ESF和DSF的混合物中的双(氟磺酰基)酰亚胺锂(F2LiNO4S2，LiFSI)盐(图1A和图1B中的“混合的ESF+DS-1”)，具体地，在(ESF(0.25mol％)+DSF(99.75mol％))中的2.0M LiFSI。如图1A和图1B中示出的，与以下中的每一种相比，该示例性电解质在无阳极袋式电池(Cu/LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(Cu/NMC811))中实现了更高的电化学稳定性(图1A)和CE(图1B)：上文提及的单一的基于DSF的电解质(“DS”：在DSF中的2.5M LiFSI)；传统的基于碳酸酯的电解质(“FE”：在以3:7v:v比例的碳酸氟乙烯酯(FEC)和碳酸乙基甲酯(EMC)中的2.5M LiFSI)；和优化的醚电解质(“DD”：在以1:5.1v:v比例的1,4-二噁烷(DX)和DEE+30％1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)乙烷(TFE)中的3.97M LiFSI，和“DT”：在乙二醇二乙醚(DEE)+40％ TFE中的3.6MLiFSI)。这些电池在室温(20℃至25℃)在4.3V至2.5V之间在C/3-C/3速率下循环。
参照图2A-图2C，这些图图示出了包括锂金属阳极和LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(LiNMC811)阴极的0.87Ah袋式电池分别使用包含在ESF(0.25mol％)/DSF(99.75mol％)的混合的基于磺酰基的溶剂中的2.5MLiFSI溶液的基于磺酰基的电解质(在图2A-图2C中“混合的ESF+DS-2”)和包含在DSF(100mol％)中的3.4M LiFSI溶液的基于磺酰基的电解质(“DS”)的循环性能。图2A-图2C展示出了当与仅DSF的电解质相比时，本公开内容的混合的ESF-DSF基于磺酰基的电解质能够更好地改善循环稳定性(图2A和图2B)并且抑制在循环期间电池的短路(图2C)。
混合的基于磺酰基的溶剂体系和对应的基于磺酰基的电解质的另外的实例是基于混合的DSF和EMSF的混合物。图3图示出了在基于DSF-EMSF的电解质中LiFSI盐溶解度的系统研究的结果。所研究的电解质在下文在表中列出。
表：
研究显示，与表中的基于单一溶剂的电解质体系，即“DS-1”(在仅DSF中的2.9MLiFSI)和“EM-1”(在仅EMSF中的2.3M LiFSI)相比，上文表中的混合的DSF-EMSF基于磺酰基的电解质中的每一种出乎意料地展示出优异的LiFSI盐溶解能力。该结果证实，本公开内容的混合的基于磺酰基的溶剂体系能够在室温大大改善在它们中的Li盐溶解度，而在10℃没有相分离或盐沉积，允许它们打破单一溶剂电解质的Li盐溶解度瓶颈(DS-1和EM-1中的Li盐最大溶解度分别为2.9M和2.3M)(图3)。这以电化学稳定性改善的形式带来了相当大的益处。向DSF中添加EMSF可以改变两种溶剂EMSF和DSF与Li盐—LiFSI的溶剂化能以及EMSF/DSF与LiFSI的配位比。因此，这种Li盐溶解度提高归因于混合的磺酰基电解质中的协同相互作用/协同效应，而不是含单一溶剂的电解质。
图4示出了上表的“混合的DSF-EMSF-1”、“混合的DSF-EMSF-2”、“混合的DSF-EMSF-3”、“混合的DSF-EMSF-4”、“混合的DSF-EMSF-5”和“混合的DSF-EMSF-6”基于磺酰基的电解质，以及该表的“DS-1”电解质的差示扫描量热法(DSC)数据。图4示出了存在位于-5℃处的一个清晰的峰400，这指示具有该峰的三种电解质“DS-1”、“混合的DSF-EMSF-1”和“混合的DSF-EMSF-2”的相变的存在，但是令人惊讶地，当EMSF溶剂组分增加到混合的基于磺酰基的溶剂体系的按体积计7.5％或更高含量时，在-5℃处的该相变峰完全消失。位于-30℃至-40℃处的另一个峰404也随着混合的基于磺酰基的溶剂体系中EMSF溶剂的量从按体积计0％增加至25％而逐渐位移到较低的相变温度区域。在图4中图示出的示例性基于磺酰基的电解质中，混合的基于磺酰基的溶剂体系中按体积计7.5％的EMSF溶剂是该相变特征的转折点。这些结果证明，具有拥有按体积计7.5％或更高的EMSF的DSF-EMSF混合的基于磺酰基的溶剂体系的基于磺酰基的电解质扩展了液相在下端的电解质温度范围，显著改善了所发现的电解质的低温性质。这些增强的低温性质例如对于需要低温操作的电池应用是有益的。这些结果还证实，相当大的协同效应由于DSF和EMSF与盐的竞争性配位/结合方式而产生，该竞争性配位/结合方式主导本公开内容的新发现的基于磺酰基的电解质的化学性质和电化学性质。
本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系和/或对应的基于磺酰基的电解质包含至少一种基于磺酰基的溶剂，该至少一种基于磺酰基的溶剂具有以下通用化学结构中的任一种：
结构1：
其中：
R1和R2中的每一个可以是：
-F；
-CF3；
-N(SO2F)2；
-N(CH3)SO2F；
-N[(CH2)xCH3)][(CH2)yCH3)](x＝0至3，y＝0至3)；
-N[(CH2)xCH3][(CH2)yCH＝CH(CH2)z-H](x＝0至2，y＝1至3，z＝0至3)；
-(CH2)xCH＝CH(CH2)y-H(x＝0至3，y＝0至3)；
-C6H5-xFx(x＝0至5)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zCH3-wFw(x＝0至2，y＝1至2，z＝0至2，w＝0至3)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；和
-(CH2)xCH＝CH(CH2-yFy)zF(x＝0至3，y＝0至2，z＝0至2)；并
且
R1≠R2或R1＝R2。
无限制地，以下是具有通用结构1的示例性基于磺酰基的溶剂：1)R1是-CH＝CH2，R2是-F，并且溶剂是CH2＝CHSO2F；2)R1是-CH＝CH2，R2是-CF3，并且溶剂是CH2＝CHSO2CF3；3)R1是-N(CH3)2，R2是-F，并且溶剂是(CH3)2NSO2F；4)R1是-NCH3SO2F，R2是F，并且溶剂是FSO2N(CH3)SO2F；5)R1是-N(CH3)(CH2CH＝CH2)，R2是-N(CH3)2，并且溶剂是(CH3)(CH2＝CHCH2)NSO2N(CH3)2；6)R1是-CH＝CHCH3，R2是-N(CH3)(CH2CH3)，并且溶剂是CH3CH＝CHSO2N(CH3)(CH2CH3)；7)R1是-C6H4F，R2是-CH2CF3，并且溶剂是C6H4FSO2CH2CF3；8)R1是-CH2F，R2是-CH＝CHCH2F，并且溶剂是FCH2SO2CH＝CHCH2F；9)R1是-CF2CHCH＝CHCH2F，R2是-N(SO2F)2，并且溶剂是CH2FCH＝CHCF2SO2N(SO2F)2；10)R1是-C6H5，R2是F，并且溶剂是C6H5SO2F；11)R1是F，R2是N(CH3)(CH2CH3)，并且溶剂是FSO2N(CH3)(CH2CH3)；12)R1是F，R2是N(CH2CH3)2，并且溶剂是FSO2N(CH2CH3)2；以及13)R1是CF3，R2是F，并且溶剂是CF3SO2F。
结构1的前述实例的示例性结构：
结构2和结构3：
其中：
通过分别由连接来自上文结构2和结构3的末端“-”表示的共价键，R3与R4环状地连接并且R6与R7环状地连接；
R3、R4、R6和R7中的每一个可以是以下中的任一种
-CF2-；
-CH2-；
-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；
-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和
-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，x'＝0至2，
y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；
R3≠R4或R3＝R4；
R6≠R7或R6＝R7；并且
R5和R8中的每一个可以是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)。
无限制地，以下是具有通用结构2或通用结构3的示例性基于磺酰基的溶剂：1)R3/R6是-CH2-，R4/R7是-CH2-，R5/R8是-CH3，并且溶剂是-CH2SO2N(CH3)(SO2CH2-)；2)R3/R6是-CF2-，R4/R7是-CF2-，R5/R8是-CH2CH＝CH2，并且溶剂是-CF2SO2N(CH2CH＝CH2)(CF2)-；3)R3/R6是-CH(CH＝CH2F)-，R4/R7是-CH(CH＝CH2)-，R5/R8是-CH3，并且溶剂是-(FCH2＝CH)CHSO2N(CH3)CH(CH＝CH2)-；4)R3/R6是-CH2-，R4/R7是-CH2CH2-，R5/R8是-CH3，并且溶剂是-CH2SO2N(CH3)CH2CH2-；5)R3/R6是-CH2CH2-，R4/R7是-CH2CH2-，R5/R8是-CH2CH3，并且溶剂是-CH2CH2SO2N(CH2CH3)CH2CH2-；以及6)R3/R6是-CF2-，R4/R7是CF2，R5/R8是CH3，并且溶剂是-CF2SO2N(CH3)SO2CF2-。
结构2的前述实例的示例性结构：
结构3的前述实例的示例性结构：
结构4：
其中：
R9可以是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R10可以是-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；并且
R11可以是：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；或
-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)。
无限制地，以下是具有通用结构4的示例性基于磺酰基的溶剂：1)R9是-F，R10是-(CH2)2OCH3，R11是-(CH2)2OCH3，并且溶剂是FSO2N[(CH2)2OCH3]2；2)R9是-F，R10是-(CH2)2OCH3，R11是-CH3，并且溶剂是FSO2N[(CH2)2OCH3][CH3]；3)R9是-CF3，R10是-(CH2)2OCH3，R11是-(CH2)2OCH3，并且溶剂是CF3SO2N[(CH2)2OCH3]2；以及4)R9是-CF3，R10是-(CH2)2OCH3，R11是-CH3，并且溶剂是CF3SO2N[(CH2)2OCH3][CH3]。
结构4的前述实例的示例性结构：
结构5：
其中：
R13内是含N的环结构、含O的环结构、仅含烃的环结构或含N+O混合物的环结构；
R12可以是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R13可以是：
-N(CH2)4(1-吡咯烷基五元环)；
-N(CH2)5(1-哌啶基六元环)；
-N(CH2CH2)2O(4-吗啉基六元环)；
-C5H9(环戊烷)；
-C6H11(环己烷)；
-C4H7O(2-四氢呋喃或3-四氢呋喃)；或
其氟化类似物。
无限制地，以下是具有通用结构5的示例性基于磺酰基的溶剂：1)R12是-F，R13是-N(CH2)4，并且溶剂是FSO2N(CH2)4(五元环)；2)R12是-CF3，R13是-N(CH2)4(五元环)，并且溶剂是CF3SO2N(CH2)4(五元环)；3)R12是-F，R13是-N(CH2CH2)2O(六元环)，并且溶剂是FSO2N(CH2CH2)2O(六元环)。
结构5的前述实例的示例性结构：
本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系和/或本公开内容的基于磺酰基的电解质可以包含本公开内容的单一类型的基于磺酰基的溶剂或者本文公开的两种或更多种类型的基于磺酰基的溶剂的混合物，包括直链的基于磺酰基的溶剂和环状的基于磺酰基的溶剂两者，其中每种溶剂在例如按体积比计、按重量比计或按摩尔比计从约100％至约0.05％的范围内，或者在按体积比计、按重量比计或按摩尔比计约5％至约50％的范围内。如果基于磺酰基的溶剂体系或基于磺酰基的电解质仅包含单一溶剂，则结构1不包括作为与-F或-CF3组合的-N(CH3)2的R1和R2。
此外，本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系和电解质还可以包含除基于磺酰基的溶剂之外的一种或更多种类型的溶剂或与基于磺酰基的溶剂混合的“基于非磺酰基的溶剂”。可以用于本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系和基于磺酰基的电解质的基于非磺酰基的溶剂的实例包括但不限于环状的或直链的、非氟化的或氟化的碳酸酯、醚、腈、磷酸酯、磺酸酯、磺内酯和硫酸酯，其中基于磺酰基的溶剂体系中的每种溶剂在例如按体积比计、按重量比计或按摩尔比计从约100％至约0.05％的范围内，或者在按体积比计、按重量比计或按摩尔比计约5％至约50％的范围内。
在一些实施方案中，在从约0.1M直至约5.5M(包括0.1M和5.5M)的范围内的浓度的以下盐中的一种或更多种可以与上文新发现的基于磺酰基的溶剂体系中的任一种组合，以形成本公开内容的基于磺酰基的电解质：LiFSI、LiTFSI、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiTF、LiBETI、LiCTFSI、LiTDI、LiPDI、LiDCTA、LiB(CN)4、LiBOB、LiDFOB以及其他。应当注意，虽然前述示例性盐是基于锂的，但是这些盐中的Li阳离子可以被其他阳离子诸如Na、Mg、K和Zn以及其他阳离子替换。在一些实施方案中，在约0.9M至约3.5M的范围内的盐的浓度可以是优选的。例如，当选择LiFSI盐和EMSF溶剂时，示例性优选的范围为约2.0M至约3.0M；当选择LiFSI盐和DSF/EMSF混合溶剂时，示例性优选的范围为约2.5M至约3.5M；并且当选择LiFSI盐和DSF/乙二醇二乙醚(DEE)溶剂时，示例性优选的范围为约2.5M至约4.5M。应当注意，虽然前述盐都是基于锂的，但是根据所论述的特定的基于磺酰基的电解质的化学性，一种或更多种其他碱金属诸如钠或钾的盐可以与本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系一起使用。还应当注意，本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系可以适用于Li离子电池和电池。在Li离子电池和电池的一些实例中，盐-溶剂摩尔比可以在约1:7至约1:1的范围内。例如，当使用LiFSI盐和双(2-甲氧基乙基)氨磺酰氟(BMSF)溶剂时，LiFSI盐的摩尔浓度可以为约5.5M每1L溶剂，其中对应的LiFSI:BMSF摩尔比为约1:1。
本文公开的所发现的基于磺酰基的电解质的优点可以包括以下：
1)新的基于磺酰基的电解质可以促进稳健且保护性的钝化层在Li表面上的形成，以及对Li金属阳极具有高的稳定性和高的库仑效率(图1，新的混合的基于磺酰基的电解质给出高的CE值(99.65％)和持久的循环)。
2)基于磺酰基的电解质中的所公开的基于磺酰基的电解质提供有益的协同效应，以改善循环稳定性和降低在循环期间总电池的直流内阻(DCIR)(在100次循环之后基于含单一DSF的电解质的DCIR值的75％)(图2)。
3)基于磺酰基的电解质中的所公开的基于磺酰基的电解质表现良好，可以在高电压在宽的温度范围内具有良好的氧化稳定性，这极大地使在高电压在阴极表面上的溶剂分解最小化。图5是常规的基于醚的电解质(在以1:5.1v:v比例的1,4-二噁烷(DX)和DEE+30％TFE中的3.97M LiFSI；“DD”)和基于磺酰基的电解质(在DSF中的2.5M LiFSI；“DS”)的线性扫描伏安法(LSV)扫描图。LSV用铂电极在室温(～20℃)、45℃和60℃进行。如图5中看到的，与常规的“DD”电解质相比，“DS”电解质在较高的温度和较高的电压呈现出显著更低的氧化电流密度。此外，如图6的LSV扫描图(在30℃的铂电极)中看到的，证明本公开内容的混合的基于磺酰基的电解质(“混合的DSF-EMSF-5”(参见上表))与含单一DSF的电解质(“DS-1”(参见上表))相比具有优异的氧化稳定性。
4)图5的“DD”电解质和“DS”电解质两者也没有铝腐蚀问题(参见图7的使用铝电极的循环伏安法(CV)图)。令人惊讶地，观察到当与单一DSF“DS-1”电解质相比时，本公开内容的混合的基于磺酰基的电解质(此处是“混合的DSF-EMSF-5”(参见上表))可以更快地钝化铝电极表面(参见图8)。
5)本公开内容的基于磺酰基的电解质中的基于磺酰基的电解质由于具有相对高的沸点(例如，>150℃)而呈现出良好的热稳定性和加工性。
6)当使用本公开内容的基于磺酰基的溶剂体系时，本公开内容的基于磺酰基的电解质中的基于磺酰基的电解质由于盐摩尔浓度的降低而可以具有相对低的成本，其中基于磺酰基的溶剂中的至少一种具有比DSF的分子量大的分子量。
7)本公开内容的基于磺酰基的电解质中的基于磺酰基的电解质可以具有低易燃性或无易燃性，这允许它们在考虑当今广泛用于Li离子电池的高度易燃的基于碳酸酯的常规电解质时满足更高的安全要求。
本公开内容的实施方案包括上文描述的单独的基于磺酰基的溶剂和基于磺酰基的溶剂体系，以及这样的溶剂彼此的混合物，包括但不限于上文提到的特定混合物。本公开内容的实施方案还包括基于磺酰基的电解质，所述基于磺酰基的电解质各自使用以下制成：上文描述的基于磺酰基的溶剂体系中的任一种或更多种，其包括任何示例性混合物；和一种或更多种盐，其包括上文列举的基于锂的盐和/或其混合物；以及基于除锂之外的碱金属诸如钠或钾的任何盐或其混合物。本公开内容的实施方案还包括电化学装置，诸如电池和超级电容器，所述电化学装置各自包含根据本公开内容的方面制成的电解质。示例性的电池包括LMB、锂离子电池和基于除锂之外的碱金属的电池，诸如钠金属电池或钾金属电池以及其他电池。本领域技术人员理解电化学装置的许多不同构造可以利用根据本公开内容制成的电解质，并且这样的常规电化学装置构造的所有合适的构造作为根据本公开内容制成的电化学装置，包括包含根据本公开内容制成的基于磺酰基的电解质(和基于磺酰基的溶剂)的这样的常规构造的电化学装置的基础并入本文。
可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出多种修改和添加。上文描述的多种实施方案中的每一种实施方案的特征可以适当地与其他描述的实施方案的特征组合，以便在相关联的新的实施方案中提供多种特征组合。此外，虽然前文描述多个单独的实施方案，但是本文已经描述的内容仅仅是对本发明的原理的应用的说明。此外，尽管本文的特定方法可以被说明和/或描述为以特定的顺序执行，但是排序在普通技术范围内是高度可变的，以实现本公开内容的方面。因此，本描述旨在仅通过实例的方式做出，并且不以其他方式限制本发明的范围。
已经在上文公开并在附图中图示出示例性的实施方案。本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文具体公开的内容进行多种改变、省略和添加。
Claims (58)
1.一种用于电化学装置的电解质，所述电化学装置具有碱金属阳极，所述碱金属阳极具有包含碱金属的阳极活性材料，所述电解质包括：
基于磺酰基的溶剂体系，其包含一种或更多种基于磺酰基的溶剂，所述一种或更多种基于磺酰基的溶剂各自具有以下通用分子结构中的一种：
结构1：R1-SO2-R2，其中：
R1和R2中的每一个是以下中的任一种：
-F；
-CF3；
-N(SO2F)2；
-N(CH3)SO2F；
-N[(CH2)xCH3)][(CH2)yCH3)](x＝0至3，y＝0至3)；
-N[(CH2)xCH3][(CH2)yCH＝CH(CH2)z-H](x＝0至2，y＝1至3，z＝0至3)；
-(CH2)xCH＝CH(CH2)y-H(x＝0至3，y＝0至3)；
-C6H5-xFx(x＝0至5)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zCH3-wFw(x＝0至2，y＝1至2，z＝0至2，w＝0至3)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；和
-(CH2)xCH＝CH(CH2-yFy)zF(x＝0至3，y＝0至2，z＝0至2)；并且
R1≠R2或R1＝R2；
结构2：-R3-SO2N-R5SO2-R4-，其中：
R3和R4中的每一个是以下中的任一种：
-CF2-；
-CH2-；
-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；
-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和
-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；
R3≠R4或R3＝R4；并且
R5是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；
结构3：-R6-SO2N-(R8)R7-，其中：
R6和R7中的每一个是以下中的任一种：
-CF2-；
-CH2-；
-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；
-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和
-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；
R6≠R7或R6＝R7；并且
R8能够是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；
结构4：R9-SO2N-(R10)(R11)，其中：
R9是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R10是-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；并且
R11是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；以及
结构5：R12-SO2-R13，其中：
R13内是含氮(N)的环结构、含氧(O)的环结构、仅含烃的环结构或含(N+O)混合物的环结构；
R12是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R13是以下中的任一种：
-N(CH2)4(1-吡咯烷基五元环)；
-N(CH2)5(1-哌啶基六元环)；
-N(CH2CH2)2O(4-吗啉基六元环)；
-C5H9(环戊烷)；
-C6H11(环己烷)；
-C4H7O(2-四氢呋喃或3-四氢呋喃)；及
其氟化类似物；以及
至少一种碱金属盐，所述至少一种碱金属盐溶解在所述一种或更多种基于磺酰基的溶剂中，所述碱金属盐具有包含所述阳极活性材料的所述碱金属的阳离子；
其中当所述电解质包含单一溶剂并且所述单一溶剂具有结构1时，结构1不包括作为与-F或-CF3组合的-N(CH3)2的R1和R2。
2.根据权利要求1所述的电解质，其中所述电解质还包括至少一种基于非磺酰基的溶剂。
3.根据权利要求1所述的电解质，其中所述电解质仅包括所述基于磺酰基的溶剂中的单一的基于磺酰基的溶剂。
4.根据权利要求3所述的电解质，其中所述单一的基于磺酰基的溶剂具有选自由以下组成的组的通用分子结构：结构2、结构3、结构4和结构5。
5.根据权利要求1所述的电解质，其中所述电解质包括所述基于磺酰基的溶剂中的两种或更多种。
6.根据权利要求5所述的电解质，其中所述电解质还包括至少一种基于非磺酰基的溶剂。
7.根据权利要求1所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂中的至少一种具有结构1，并且选自由以下组成的组：CH2＝CHSO2F；CH2＝CHSO2CF3；(CH3)2NSO2F；FSO2N(CH3)SO2F；(CH3)(CH2＝CHCH2)NSO2N(CH3)2；CH3CH＝CHSO2N(CH3)(CH2CH3)；C6H4FSO2CH2CF3；FCH2SO2CH＝CHCH2F；CH2FCH＝CHCF2SO2N(SO2F)2；C6H5SO2F；FSO2N(CH3)(CH2CH3)；FSO2N(CH2CH3)2；和CF3SO2F。
8.根据权利要求1所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂中的至少一种具有结构2或结构3。
9.根据权利要求8所述的电解质，其中所述至少一种基于磺酰基的溶剂选自由以下组成的组：-CH2SO2N(CH3)(SO2CH2-)；-CF2SO2N(CH2CH＝CH2)(CF2)-；-(FCH2＝CH)CHSO2N(CH3)CH(CH＝CH2)-；和-CF2SO2N(CH3)SO2CF2-。
10.根据权利要求1所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂中的至少一种具有结构4。
11.根据权利要求10所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂中的至少一种选自由以下组成的组：FSO2N[(CH2)2OCH3]2；FSO2N[(CH2)2OCH3][CH3]；CF3SO2N[(CH2)2OCH3]2；和CF3SO2N[(CH2)2OCH3][CH3]。
12.根据权利要求1所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂中的至少一种具有结构5。
13.根据权利要求12所述的电解质，其中所述至少一种基于磺酰基的溶剂选自由以下组成的组：FSO2N(CH2)4(五元环)；CF3SO2N(CH2)4(五元环)；和FSO2N(CH2CH2)2O(六元环)。
14.根据权利要求1所述的电解质，其中所述电化学装置包括具有锂金属阳极的锂金属电池，并且所述至少一种碱金属盐包括至少一种锂盐。
15.根据权利要求14所述的电解质，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：LiFSI、LiTFSI、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiTF、LiBETI、LiCTFSI、LiTDI、LiPDI、LiDCTA、LiB(CN)4、LiBOB和LiDFOB。
16.根据权利要求15所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，并且所述基于磺酰基的溶剂体系包括N-乙基,N-甲基氨磺酰氟(EMSF)。
17.根据权利要求16所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系包括与N,N-二甲基氨磺酰氟(DSF)组合的EMSF。
18.根据权利要求17所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系具有在约5:95至约95:5的范围内的按体积、重量和摩尔中的每一种计的DSF:EMSF百分数比例。
19.根据权利要求18所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系具有在约50:50至约95:5的范围内的按体积、重量和摩尔中的每一种计的DSF:EMSF百分数比例。
20.根据权利要求17所述的电解质，其中所述LiFSI具有在约0.1M至约5.5M的范围内的在所述基于磺酰基的溶剂体系中的浓度。
21.根据权利要求20所述的电解质，其中所述浓度在约0.9M至约3.5M的范围内。
22.根据权利要求21所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述DSF和所述EMSF组成，并且所述LiFSI具有在约2.5M至约3.5M的范围内的浓度。
23.根据权利要求16所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，所述基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述EMSF组成，并且所述LiFSI具有在约2.0M至约3.0M的范围内的在所述EMSF中的浓度。
24.根据权利要求15所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，并且所述基于磺酰基的溶剂体系包括二乙基氨磺酰氟(DESF)。
25.根据权利要求15所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系包括双(2-甲氧基乙基)氨磺酰氟(BMSF)。
26.根据权利要求25所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述BMSF组成，并且所述至少一种锂盐是LiFSI，其中所述LiFSI具有约5.5M每升所述BMSF的浓度。
27.根据权利要求15所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系包括N,N-二甲基氨磺酰氟(DSF)和乙二醇二乙醚(DEE)。
28.根据权利要求27所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，所述基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述DSF和所述DEE组成，并且所述LiFSI具有在约2.5M至约4.5M的范围内的浓度。
29.一种用于电化学装置的电解质，所述电化学装置具有碱金属阳极，所述碱金属阳极具有包含碱金属的阳极活性材料，所述电解质包括：
混合的基于磺酰基的溶剂体系，所述混合的基于磺酰基的溶剂体系包含：
第一溶剂，其是第一基于磺酰基的溶剂；和
第二溶剂，其选自由第二基于磺酰基的溶剂和基于非磺酰基的溶剂组成的组；以及
至少一种碱金属盐，所述至少一种碱金属盐溶解在所述混合的基于磺酰基的溶剂体系中，所述碱金属盐具有包含所述阳极活性材料的所述碱金属的阳离子。
30.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有以下通用分子结构中的一种：
结构1：R1-SO2-R2，其中：
R1和R2中的每一个是以下中的任一种：
-F；
-CF3；
-N(SO2F)2；
-N(CH3)SO2F；
-N[(CH2)xCH3)][(CH2)yCH3)](x＝0至3，y＝0至3)；
-N[(CH2)xCH3][(CH2)yCH＝CH(CH2)z-H](x＝0至2，y＝1至3，z＝0至3)；
-(CH2)xCH＝CH(CH2)y-H(x＝0至3，y＝0至3)；
-C6H5-xFx(x＝0至5)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zCH3-wFw(x＝0至2，y＝1至2，z＝0至2，w＝0至3)；
-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；和
-(CH2)xCH＝CH(CH2-yFy)zF(x＝0至3，y＝0至2，z＝0至2)；并且
R1≠R2或R1＝R2；
结构2：-R3-SO2N-R5SO2-R4-，其中：
R3和R4中的每一个是以下中的任一种：
-CF2-；
-CH2-；
-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；
-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和
-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，
x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；
R3≠R4或R3＝R4；并且
R5是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；
结构3：-R6-SO2N-(R8)R7-，其中：
R6和R7中的每一个是以下中的任一种：
-CF2-；
-CH2-；
-CH((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；
-CF((CH2)xH1-yFy)-(x＝0至3，y＝0至1)；和
-CH((CH2-xFx)yCH＝CH1-zFz(CH2-x'Fx')vH1-wFw)-(x＝0至2，
x'＝0至2，y＝0至2，z＝0至1，v＝0至2，w＝0至1)；
R6≠R7或R6＝R7；并且
R8能够是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xCH＝CH2(x＝1至3)；
结构4：R9-SO2N-(R10)(R11)，其中：
R9是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R10是-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；并且
R11是以下中的任一种：
-(CH2)xCH3(x＝0至3)；和
-(CH2)xO(CH2)yCH3(x＝2至4，y＝0至2)；以及
结构5：R12-SO2-R13，其中：
R13内是含氮(N)的环结构、含氧(O)的环结构、仅含烃的环结构或含(N+O)混合物的环结构；
R12是-(CH2)x(CH2-yFy)zF(x＝0至2，y＝0至2，z＝0至2)；
R13是以下中的任一种：
-N(CH2)4(1-吡咯烷基五元环)；
-N(CH2)5(1-哌啶基六元环)；
-N(CH2CH2)2O(4-吗啉基六元环)；
-C5H9(环戊烷)；
-C6H11(环己烷)；
-C4H7O(2-四氢呋喃或3-四氢呋喃)；及
其氟化类似物。
31.根据权利要求30所述的电解质，其中所述第二溶剂是具有结构1至结构5中的任一种的第二基于磺酰基的溶剂，并且所述第二基于磺酰基的溶剂不同于所述第一基于磺酰基的溶剂。
32.根据权利要求31所述的电解质，其中所述混合的溶剂体系基本上由所述第一溶剂和所述第二溶剂组成。
33.根据权利要求31所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂和所述第二基于磺酰基的溶剂中的每一种具有结构1。
34.根据权利要求31所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有结构1，并且所述第二基于磺酰基的溶剂具有结构2至结构5中的任一种。
35.根据权利要求30所述的电解质，其中所述混合的溶剂体系还包括第三溶剂，所述第三溶剂是基于非磺酰基的溶剂。
36.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第二溶剂是基于非磺酰基的溶剂。
37.根据权利要求36所述的电解质，其中所述混合的溶剂体系基本上由所述第一溶剂和所述第二溶剂组成。
38.根据权利要求36所述的电解质，其中所述第二溶剂选自由以下组成的组：碳酸酯、醚、腈、磷酸酯、磺酸酯、磺内酯和硫酸酯，所述碳酸酯、醚、腈、磷酸酯、磺酸酯、磺内酯和硫酸酯为环状的或非环状的、非氟化的或氟化的。
39.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有结构1，并且选自由以下组成的组：CH2＝CHSO2F；CH2＝CHSO2CF3；(CH3)2NSO2F；FSO2N(CH3)SO2F；(CH3)(CH2＝CHCH2)NSO2N(CH3)2；CH3CH＝CHSO2N(CH3)(CH2CH3)；C6H4FSO2CH2CF3；FCH2SO2CH＝CHCH2F；CH2FCH＝CHCF2SO2N(SO2F)2；C6H5SO2F；FSO2N(CH3)(CH2CH3)；FSO2N(CH2CH3)2；和CF3SO2F。
40.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有结构2或结构3。
41.根据权利要求40所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂选自由以下组成的组：-CH2SO2N(CH3)(SO2CH2-)；-CF2SO2N(CH2CH＝CH2)(CF2)-；-(FCH2＝CH)CHSO2N(CH3)CH(CH＝CH2)-；和-CF2SO2N(CH3)SO2CF2-。
42.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有结构4。
43.根据权利要求42所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂选自由以下组成的组：FSO2N[(CH2)2OCH3]2；FSO2N[(CH2)2OCH3][CH3]；CF3SO2N[(CH2)2OCH3]2；和CF3SO2N[(CH2)2OCH3][CH3]。
44.根据权利要求29所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂具有结构5。
45.根据权利要求44所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂选自由以下组成的组：FSO2N(CH2)4(五元环)；CF3SO2N(CH2)4(五元环)；和FSO2N(CH2CH2)2O(六元环)。
46.根据权利要求29所述的电解质，其中所述电化学装置包括具有锂金属阳极的锂金属电池，并且所述至少一种碱金属盐包括至少一种锂盐。
47.根据权利要求46所述的电解质，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：LiFSI、LiTFSI、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiTF、LiBETI、LiCTFSI、LiTDI、LiPDI、LiDCTA、LiB(CN)4、LiBOB和LiDFOB。
48.根据权利要求47所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，并且所述第一基于磺酰基的溶剂是N-乙基,N-甲基氨磺酰氟(EMSF)。
49.根据权利要求48所述的电解质，其中所述混合的溶剂体系包括与N,N-二甲基氨磺酰氟(DSF)组合的所述EMSF。
50.根据权利要求49所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系具有在约5:95至约95:5的范围内的按体积、重量和摩尔中的每一种计的DSF:EMSF百分数比例。
51.根据权利要求50所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系具有在约50:50至约95:5的范围内的按体积、重量和摩尔中的每一种计的DSF:EMSF百分数比例。
52.根据权利要求49所述的电解质，其中所述LiFSI具有在约0.1M至约5.5M的范围内的在所述混合的基于磺酰基的溶剂体系中的浓度。
53.根据权利要求52所述的电解质，其中所述浓度在约0.9M至约3.5M的范围内。
54.根据权利要求53所述的电解质，其中所述混合的基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述DSF和所述EMSF组成，并且所述LiFSI具有在约2.5M至约3.5M的范围内的浓度。
55.根据权利要求47所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，并且所述第一基于磺酰基的溶剂包括二乙基氨磺酰氟(DESF)。
56.根据权利要求47所述的电解质，其中所述第一基于磺酰基的溶剂包括双(2-甲氧基乙基)氨磺酰氟(BMSF)。
57.根据权利要求47所述的电解质，其中所述基于磺酰基的溶剂体系包括N,N-二甲基氨磺酰氟(DSF)和乙二醇二乙醚(DEE)。
58.根据权利要求57所述的电解质，其中所述至少一种锂盐是LiFSI，所述基于磺酰基的溶剂体系基本上由所述DSF和所述DEE组成，并且所述LiFSI具有在约2.5M至约4.5M的范围内的浓度。
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