CN116438676A - 用于减少产气的电解质 - Google Patents

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亚历克西斯·谢菲尔德
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Abstract

一般地描述了用于减少在电化学电池的运行期间产生的气体的电解质、制品和方法。包含甲硅烷基化磺酸酯可以减少电化学电池(例如，电池组)中产生的气体的量。

Description

用于减少产气的电解质
相关申请
本申请要求于2020年10月14日提交的美国临时申请第63/091,496号的优先权，其通过引用整体并入本文。
技术领域
一般地描述了用于减少在电化学电池的运行期间产生的气体的电解质、制品和方法。
背景技术
一些现有的Li离子电池可能具有短的循环寿命并且当电池的组分(例如，电解质)分解时产生大量的气态产物(例如，气态副产物)。因此，需要改进的电解质、制品和方法。
发明内容
一般地描述了电解质用添加剂、制品和方法。在一些实施方案中，与某些现有的系统相比，电解质、制品和方法在用于电化学电池(例如，电池组)时可以产生显著减少的(例如，通过电解质分解)产生的气体的量。如本文中更详细描述的，本文中的电解质添加剂可以包含甲硅烷基化磺酸酯(即，甲硅烷基磺酸酯)。在一些实施方案中，包含甲硅烷基化磺酸酯的电解质在用于电化学电池时可以在电极(例如，锂金属阳极、包含过渡金属的阴极)的表面上形成保护涂层。相对于没有甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池，甲硅烷基化磺酸酯可以减少在电化学电池的运行期间形成的气体(例如，气态副产物)的量。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、针对特定问题的替代解决方案、和/或一个或更多个系统和/或制品的复数种不同用途。
在一个方面中，描述了电解质，其包含复数个传导离子、至少一种溶剂和至少一种甲硅烷基化磺酸酯。
在另一个方面中，描述了制品，其包括电极和与电极相邻的涂层，其中涂层包含甲硅烷基化磺酸酯和过渡金属的反应产物。
在不同的方面中，描述了在电极上形成涂层的方法，所述方法包括：使电极暴露于溶液，以及在电极上形成涂层。所述溶液包含甲硅烷基化磺酸酯。
在另一个方面中，描述了电解质添加剂，其包括下式：
Figure BDA0004225161550000021
其中R3选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。
在另一个方面中，描述了电解质添加剂，其包括下式：
Figure BDA0004225161550000022
其中R4为氢；选自经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤k≤10。
在另一个方面中，描述了电解质添加剂，其包括下式：
Figure BDA0004225161550000031
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤m≤10。
在另一个方面中，描述了电解质添加剂，其包括下式：
Figure BDA0004225161550000032
其中，各R5和R6可以相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，其中1≤n≤10，以及其中1≤p≤10。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下本发明的多个非限制性实施方案的详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过实例来描述本发明的非限制性实施方案，附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或几乎相同的组件通常由单一数字表示。为了清楚的目的，在不需要举例说明以使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，并非在每幅附图中都标记出每个组件，也没有示出本发明的每个实施方案的每个组件。在附图中：
图1A至1B是根据一些实施方案的包含至少一种甲硅烷基化磺酸酯的电解质的示意图；
图2A至2D是根据一些实施方案的甲硅烷基化磺酸酯在电极的表面上形成反应产物和/或涂层的示意图；
图3是根据一个实施方案的在将电极用于具有包含甲硅烷基化磺酸酯的电解质的电化学电池中之后，电极表面的能量色散X射线光谱图的图；
图4是根据一个实施方案的在将电极用于具有包含甲硅烷基化磺酸酯的电解质的电化学电池中之后，电极表面的示出硅和硫信号的能量色散X射线光谱图的图；以及
图5是根据一个实施方案的在用于电化学电池之后示出在电解质中不存在硅的29Si NMR谱。
具体实施方式
本文描述的制品、电解质和方法可以用于减少在电化学电池(例如，电池组)的运行中产生的气体的量。例如，在其中两个电极与电解质电化学接触的一些特定的现有电池系统的运行中，电池的运行可能导致电解质(或电解质的溶剂)分解并产生气态副产物。这些气态副产物可能通过使电解质和/或其组分过早地降解而损坏电池或缩短电池的循环寿命。当与类似组成但不存在电解质添加剂的电化学电池(所有其他要素相同)相比时，本文描述的制品(例如，电解质、电解质添加剂)和方法可以减少或消除气态副产物的形成。在一些实施方案中，气态副产物的这种减少或消除可以通过在电极(例如，阴极、阳极、第一电极、第二电极)上形成涂层来实现。在一些实施方案中，电极上的涂层形成在电极表面的至少一部分上。
在一些实施方案中，本文描述的制品(例如，电解质)和方法可以通过相邻于电极(例如，第一电极、第二电极)形成涂层来有利地减少或防止电解质或其组分的反应，并且可以起到保护电极和电解质免于形成气态副产物的作用。在一些实施方案中，电解质包含至少一种甲硅烷基化磺酸酯(SSAE)。如以下更详细描述的，添加SSAE可以有利地减少(或消除)不期望的气态副产物的形成，如上所述，气态副产物可能损坏电化学电池(例如，电池组)或可能减少电池的循环寿命。不希望受任何理论的束缚，通过本公开内容已经认识和理解到，甲硅烷基化磺酸酯可以有利地在电化学电池运行期间在电极(例如，阴极、阳极、第一电极)的表面处反应以形成包含硫和硅的反应产物和/或涂层，其可以防止或减少不期望的气态副产物的形成。
如本文描述的，甲硅烷基化磺酸酯可以用作可以减少电化学电池中气态副产物的形成的电解质添加剂。在一些实施方案中，电解质、制品和方法包含如下所述的甲硅烷基化磺酸酯。如本领域技术人员所理解的，甲硅烷基化磺酸酯为磺酸与硅烷醇之间的反应的产物。然而，其他反应也可以产生甲硅烷基化磺酸酯，因为这些化合物的形成不仅限于磺酸与硅烷醇的反应。本领域技术人员将理解，甲硅烷基化磺酸酯也可以称为甲硅烷基磺酸酯。作为一个实例，甲硅烷基化磺酸酯可以包括双(三甲基甲硅烷基)硫酸酯，如此处所示：
Figure BDA0004225161550000051
该化合物可以通过硫酸与三甲基硅烷醇的反应形成，但是也可以使用其他合成途径来形成该化合物。例如，该化合物也可以通过硫酸与氯三甲基硅烷的反应来形成。其他合成途径是可能的，并且鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够确定生产甲硅烷基化磺酸酯的其他合成途径。另外的合成途径的一个实例在本文其他地方更详细地描述。在一些实施方案中，当与不存在双(三甲基甲硅烷基)硫酸酯的电化学电池相比时，包含甲硅烷基磺酸酯双(三甲基甲硅烷基)硫酸酯作为电解质添加剂可以减少包含该电解质的电化学电池的气体副产物的量。甲硅烷基化磺酸酯(即，甲硅烷基磺酸酯)的另外实例在下文更详细地描述。
在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000061
其中，各R1和R2可以相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。在一些实施方案中，R1和R2各自独立地选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000062
其中R1选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。在一些实施方案中，R1选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000063
在一些实施方案中，甲硅烷基化磺酸酯包括芳族磺酸酯。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000071
其中R3选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。在一些实施方案中，R3选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000072
在一些实施方案中，甲硅烷基化磺酸酯包括连接的二磺酸酯。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000073
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤k≤10。例如，在一些情况下，k＝1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施方案中，R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000081
在一些实施方案中，甲硅烷基化磺酸酯包括环状磺酸酯。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000082
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤m≤10。例如，在一些情况下，m＝1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施方案中，R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000083
在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000091
其中，各R5和R6可以相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，其中1≤n≤10，以及其中1≤p≤10。例如，在一些情况下，n＝1、2、3、4、5、6、7、8、9或10，以及在一些情况下，p＝1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施方案中，R5和R6独立地选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。在一些实施方案中，电解质添加剂包括下式：
Figure BDA0004225161550000092
如上所述，甲硅烷基化磺酸酯可以包括支化或非支化的脂族的作为R基团(例如，R1、R2、R3……R6)。术语“脂族的”描述饱和脂族基团的基团，包括来自分子上的指定连接位点的直链烷基(无环的)、支链烷基、环烷基(环状的)、烷基取代的环烷基、和/或环烷基取代的烷基。脂族基团可以任选地被取代，如以下更充分描述的。烷基的一些实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、2-乙基己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。
杂脂族R基团(例如，R1、R2、R3……R6)包括杂烷基，其为其中至少一个原子为杂原子(例如，氧、硫、氮、磷、硅等)，以及剩余原子属于如上所述的脂族基团的脂族基团。杂脂族基团的一些实例包括但不限于烷氧基、烷基甲硅烷氧基、聚(乙二醇)-、烷基取代的氨基、四氢呋喃基、哌啶基、吗啉基等。
术语“酰基”(例如，羰基)包括如可以由以下一般式表示的这样的部分：
Figure BDA0004225161550000101
其中W为H、卤素(例如，F、Cl、Br、I)、OH、O-烷基、O-烯基、或其盐。在W为O-烷基的情况下，该式表示酯。当W为OH时，该式表示羧酸。通常，当上式的氧原子被硫替代时，该式表示硫代羰基。当W为S-烷基时，该式表示硫代酯。当W为SH时，该式表示硫代羧酸。在其他情况下，当W为烷基时，上式表示酮基。当W为氢时，上式表示醛基。以及当W为卤素时，上式表示酰卤。
术语“芳基”是指具有单个环(例如，苯基)、多个环(例如，联苯基)或多个稠环(其中至少一者是芳族的)(例如，1,2,3,4-四氢萘基、萘基、蒽基或菲基)的芳族碳环基团，全部任选地被取代。杂芳基为其中芳族环中的至少一个环原子是杂原子以及剩余环原子是碳原子的芳基。杂芳基的实例包括呋喃基、噻吩基、吡啶基、吡咯基、N低级烷基吡咯基、吡啶基N氧化物、嘧啶基、吡嗪基、咪唑基、吲哚基等，全部任选地被取代。术语“硝基芳基”是指其中一个或更多个硝基(-NO2)基团替代芳族碳环上的取代基的如上所述的芳基。
术语“全氟烷基芳基”是指其中一个或更多个全氟烷基部分(例如，-CF3、-CF2CF3)替代芳族碳环上的取代基的如上所述的芳基。通常，全氟烷基是指其中C-H键被C-F键替代的脂族基团。全氟烷基的非限制性实例包括三氟甲基(-CF3)、1,1-二氟-2,2,2-三氟乙基(-CF2CF3)和1,1-二氟-2,2-二氟-3,3,3-三氟丙基(-CF2CF2CF3)。
预期术语“经取代的”包括有机化合物的所有允许的取代基，“允许的”是在本领域普通技术人员已知的化合价的化学规则的背景下。在一些情况下，“经取代的”通常可以指将氢替代为如本文描述的取代基。因此，“未经取代的”是指其中原子上的氢(例如脂族基团的氢)未被替代的情况。然而，如本文所用，“经取代的”不包括对识别分子的关键官能团的替代和/或改变，例如使得“经取代的”官能团通过取代变为不同的官能团。例如，“经取代的苯基”必须仍包括苯基部分并且在该定义中不能通过取代被修饰以变成例如杂芳基(例如吡啶)。在广泛的方面中，允许的取代基包括有机化合物的无环和环状的、支化和非支化的、碳环和杂环的、芳族和非芳族的取代基。示例性取代基包括例如本文描述的那些。对于合适的有机化合物，允许的取代基可以为一个或更多个并且可以相同或不同。出于本公开内容的目的，杂原子(例如氮)可以具有氢取代基和/或本文描述的有机化合物的满足杂原子的化合价的任何允许的取代基。本公开内容不旨在通过有机化合物的允许的取代基以任何方式进行限制。
取代基的实例包括但不限于烷基、芳基、芳烷基、环烷基、杂环烷基、羟基、烷氧基、芳氧基、全卤代烷氧基、芳烷氧基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基烷基、杂芳烷氧基、叠氮基、氨基、卤素、烷基硫基、氧代、酰基、酰基烷基、羧基酯、羧基、酰胺基、硝基、酰氧基、氨基烷基、烷基氨基芳基、烷基芳基、烷基氨基烷基、烷氧基芳基、芳基氨基、芳烷基氨基、烷基磺酰基、酰胺基烷基芳基、酰胺基芳基、羟基烷基、卤代烷基、烷基氨基烷基羧基、氨基酰胺基烷基、烷氧基烷基、全卤代烷基、芳基烷基氧基烷基等。其他取代基是可能的。
在一些实施方案中，将甲硅烷基化磺酸酯(例如上述那些)添加(即，为添加剂)至电解质中。除了SSAE之外，电解质还可以包含溶剂(例如，基于碳酸酯的溶剂、或本文描述的另外的溶剂)和复数个传导离子(例如，Li离子、锂盐)。在一些实施方案中，可以使用SSAE的混合物，使得电解质包含两种、三种、四种或更多种SSAE。
在一些实施方案中，仅需要相对少量的SSAE来为电极提供保护和/或减少包含SSAE的电化学电池中气态副产物的形成。也就是说，SSAE可以为电解质的少数组分，而溶剂和/或复数个传导离子以高于SSAE的浓度存在。这可以有利地对提供电极保护和/或减少由电解质形成气态副产物所需的SSAE的量进行限制。在一些实施方案中，SSAE的量(例如，浓度)足够高以提供电极保护和/或减少产气，但不会如此高以致于显著增加电解质的粘度从而可能降低电化学电池的循环寿命和倍率性能。例如，在一些实施方案中，相对于没有SSAE的电解质(所有其他要素相同)，电解质的粘度增加小于或等于10％、小于或等于8％、小于或等于6％、小于或等于4％、小于或等于2％、小于或等于1％、或0％。以下更详细地描述SSAE的量的实例。
与电解质中其他组分的浓度相比，SSAE的浓度可能相对低。在一些实施方案中，基于电解质的总重量，在电解质中甲硅烷基化磺酸酯的浓度小于或等于10重量％、小于或等于8重量％、小于或等于6重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、小于或等于1重量％、小于或等于0.1重量％、或者小于或等于0.01重量％。在一些实施方案中，基于电解质的总重量，在电解质中甲硅烷基化磺酸酯的浓度大于或等于0.01重量％、大于或等于0.1重量％、大于或等于1重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、大于或等于4重量％、大于或等于5重量％、大于或等于6重量％、大于或等于8重量％、或者大于或等于10重量％。上述范围的组合也是可能的(例如，小于或等于8重量％且大于或等于0.1重量％)。其他范围是可能的。
SSAE可以通过例如在电极表面的至少一部分上形成反应产物而在电极上形成涂层。在一些实施方案中，涂层形成在电极的整个表面上。在另一些实施方案中，涂层形成在电极表面的一部分而非全部上。在一些实施方案中，涂层包含硫和硅。涂层可以有利地保护电极表面免受电解质的降解影响或者以其他方式增强电池的电极或其他组件的稳定性。涂层还可以减少或防止其他组分(例如，溶剂、复数个传导离子)在电极表面处反应或形成气态副产物。关于反应产物和涂层的更多细节在下面关于附图进行了描述。
如本文描述的，与不存在SSAE的电化学电池(所有其他要素相同)相比，将SSAE添加剂包含在电解质溶液中可以减少在包含含有SSAE添加剂的电解质的电化学电池的运行期间形成的气态副产物的形成。在一些实施方案中，相对于不含SSAE的类似电化学电池，由包含SSAE的电化学电池形成的气体的量减少了大于或等于30％。该效果在本文其他地方更详细地描述。不希望受任何特定理论的束缚，气态副产物形成的减少可能是由于在电极上形成涂层，涂层可以减少电极表面处电解质的溶剂组分的气态分解。
相对于不存在本文描述的电解质、制品或方法的电化学电池，这些电解质、制品或方法可以引起由电化学电池(例如，锂离子电池)产生的复数种气体的减少。在一些实施方案中，相对于不存在本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池(所有其他要素相同)，包含所述甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池中气体形成(例如，气态副产物)的减少(例如，降低)大于或等于1体积％、大于或等于5体积％、大于或等于10体积％、大于或等于15体积％、大于或等于20体积％、大于或等于25体积％、大于或等于30体积％、或者大于或等于35体积％。在一些实施方案中，相对于不存在本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池(所有其他要素相同)，包含所述甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池中气体形成的减少小于或等于30体积％、小于或等于25体积％、小于或等于20体积％、小于或等于15体积％、小于或等于10体积％、小于或等于5体积％、或者小于或等于1体积％。该效果的实例比较和测量在本文其他地方描述。
相对于不存在本文描述的电解质添加剂(例如，SSAE)且所有其他要素相同的电化学电池，所述电解质添加剂当包含在电化学电池中时，可以减少气态产物(例如，气态副产物)的体积。电化学电池中产生的气态产物的量(例如，体积)可以使用阿基米德法确定，阿基米德法是本领域已知的技术，其中将电化学电池与线材连接并浸没在已知密度和温度的流体中。将线材连接至天平(例如，以确定电化学电池的质量)，并且可以通过天平上的质量读数来测量流体作用在电化学电池上的浮力，这可以用于确定在电池循环时作为时间的函数的所产生的气体的体积。该方法的一个优点是可以在不打开电化学电池(例如，组装的电化学电池、密封的电化学电池)的情况下确定电化学电池的体积(例如，在循环之前的、在循环之后的)并且可以用于确定电化学电池的体积和所产生的气态产物的体积。作为一个假设实例，可以制备基本上类似的电化学电池A和B，不同之处在于电化学电池B包含如本文描述的SSAE。如上所述，可以对两种电池使用阿基米德法以确定在充电/放电之前、充电/放电期间或充电/放电之后电化学电池中产生的气态产物的量。然后可以对由电化学电池A和B产生的气体的量进行比较，并且可以通过与电化学电池A中产生的气态产物的量进行比较来确定电化学电池B中气态产物的百分比减少。在一些情况下，电化学电池可以在一个或更多个充电/放电循环之后经受热处理，例如，以从电解质中释放溶解的气体。
在一些实施方案中，相对于电化学电池的总体积，电化学电池中气态产物的体积小于或等于50体积％、45体积％、40体积％、35体积％、30体积％、25体积％、20体积％、15体积％、10体积％、5体积％、或1体积％。在一些实施方案中，相对于电化学电池的总体积，电化学电池中气态产物的体积大于等于1体积％、5体积％、10体积％、15体积％、20体积％、30体积％、35体积％、40体积％、45体积％、或50体积％。上述范围的组合也是可能的(例如，相对于电化学电池的总体积，大于或等于1体积％且小于或等于20体积％)。其他范围是可能的。可以如上所述使用阿基米德法通过确定在充电/放电循环之前电池的体积来确定电化学电池的体积。随后，可以在充电/放电循环期间和/或之后确定电化学电池内形成的气态产物的体积以确定相对于电化学电池总体积的气态产物的体积。
相对于相同电化学电池但不存在甲硅烷基化磺酸酯，包含含有SSAE的电解质可以有利地改善电化学电池(例如，锂离子电池)的循环寿命。在一些实施方案中，相对于不存在本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池(所有其他要素相同)，包含所述甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池中循环寿命的增加大于或等于5％、大于或等于10％、大于或等于15％、大于或等于20％、大于或等于25％、大于或等于30％、或者大于或等于35％。在一些实施方案中，相对于不存在本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池(所有其他要素相同)，包含所述甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池中循环寿命的增加小于或等于35％、小于或等于30％、小于或等于25％、小于或等于20％、小于或等于15％、小于或等于10％、或者小于或等于5％。该效果的实例和测量如下描述。
包含溶剂、复数个传导离子和至少一种甲硅烷基化磺酸酯的电解质可以用于电化学电池(例如，电池组)并且可以减少由电池产生的气体的量。现在参照图1，示意性地示出了电解质100。电解质100包含分散在电解质100内的复数个传导离子110。电解质100还包含第一甲硅烷基化磺酸酯130和第二甲硅烷基化磺酸酯135。
在一些实施方案中，电解质包含混合物(即，多于一种)SSAE。例如，参照图1B，除了复数个传导离子110之外，电解质100还包含第一甲硅烷基化磺酸酯130和第二甲硅烷基化磺酸酯135。第一甲硅烷基化磺酸酯和第二甲硅烷基化磺酸酯可以相同或不同(例如，具有不同的化学组成)。
在一些实施方案中，涂层与电极(例如，第一电极、第二电极)相邻定位。涂层可以包含甲硅烷基化磺酸酯和金属(例如，锂金属、过渡金属)的反应产物。图2A至2D示意性地示出了电解质中的SSAE在电极上形成反应产物。从图2A开始，电解质220包含甲硅烷基化磺酸酯，例如分别包含第一甲硅烷基化磺酸酯230和第二甲硅烷基化磺酸酯235。电解质220可以为如图所图示的具有第一电极210和第二电极240的电化学电池中的组分。在一些实施方案中，任选层260与第一电极210相邻定位。在一些实施方案中，任选层260可以为与第一电极210相邻定位的离型层或与第一电极210相邻的聚合物层。
在一些情况下，第一甲硅烷基化磺酸酯可以定位在第二电极附近(例如，相邻)。如图2B中说明性示出的，第一甲硅烷基化磺酸酯230可以接触第二电极240，并且在与第二电极240接触时，可以在第二电极240内的材料(例如，金属、过渡金属)与第一甲硅烷基化磺酸酯230之间引发反应，并且可以引起反应产物的形成。虽然SSAE的接触可以引起反应产物的形成，但在另一些实施方案中，在满足另外的条件(例如，向电极施加电压、电化学电池的循环、另外的SSAE接触)之前不形成反应产物。
图2C示出了在一些实施方案中，反应产物250可以形成在第二电极240的表面附近。在一些情况下，反应产物的形成可以消耗第一甲硅烷基化磺酸230(其现在在图2C中不存在)。反应产物250可以形成在第二电极240的一部分附近，如图2C所示；然而，在一些情况下，反应产物250可以沿第二电极240形成完整涂层，如图2D中示意性描绘的。以这种方式，存在与电极(例如，阳极250)相邻(例如，直接相邻)的涂层。在一些实施方案中，涂层包含SSAE例如第一甲硅烷基化磺酸230和形成电极(例如电极240)的材料的反应产物。在一些实施方案中，涂层和/或反应产物包含硫和硅。
如本文所用，当涂层被称为与电极(例如，第一电极、第二电极)“相邻”时，其可以与电极直接相邻，或者也可以存在一个或更多个中间组件(例如，层，另外的涂层)。与涂层“直接相邻”的涂层意指不存在中间组件。
在一些实施方案中，形成包含Si和S的反应产物。当使两种或更多种物质(例如，SSAE和过渡金属)反应时，可以形成反应产物。本领域技术人员将理解，在一些实施方案中，可以在形成包含Si和S的最终反应产物之前发生SSAE与电极(例如，电极内的过渡金属材料)之间的中间反应。在一些实施方案中，SSAE与电极材料之间的反应产生在电极的表面上的反应产物，该反应产物包含SSAE的至少一部分Si和S。在一些实施方案中，在与电极表面或电极内的过渡金属材料反应时，可以消耗至少一部分SSAE，使得SSAE量(例如，浓度)相对于SSAE与电极表面或电极内的过渡金属材料反应之前的SSAE量减少。例如，如图2B至2C示意性示出的，SSAE的消耗可以通过本领域技术人员已知的多种方法来确定。例如，在循环之前和之后电解质溶液的NMR光谱法可以用于指示SSAE的消耗。事实上，如图5的29Si NMR谱所示，与使用电化学电池之前/循环之前电解质的双-三甲基甲硅烷基硫酸酯对照相比，在数次循环之后从电化学电池中取出的电解质不存在任何硅NMR信号，表明电解质添加剂在用于电化学电池之后已经被耗尽。反应产物可以为在电极的表面上形成涂层的前体或一部分。
涂层可以用于保护电极(例如，第一电极、第二电极、或其组合)免于与电解质的组分(例如溶剂)反应，从而减少气态分解产物(例如，分解的溶剂)的形成。在一些实施方案中，涂层保护第一电极、第二电极、或二者免于与电解质的组分反应。在一些实施方案中，甲硅烷基化磺酸酯的使用引起在电极的表面上形成涂层。涂层可以作为SSAE与电极的表面的反应结果而形成。在一些实施方案中，涂层可以作为SSAE与过渡金属例如电极(例如，电极的表面)的过渡金属或溶液中的过渡金属反应的结果而形成。SSAE可以在电极表面处或附近反应时被消耗，使得反应之后SSAE的量(例如，浓度)相对于在电极表面处或附近反应之前SSAE的量减少。然而，在一些实施方案中，SSAE的至少一部分(例如，整个SSAE)未被消耗。以这种方式，SSAE可以催化涂层的形成。涂层可以覆盖电极表面的至少一部分(例如，仅一部分)，或者涂层可以覆盖电极表面的整个表面。
在一些实施方案中，电极涂层可以包含硅(Si)和硫(S)。电极涂层中Si和S的存在可以通过本领域技术人员已知的任何合适的方法来确定。例如，参照图3和图4，能量色散X射线光谱法(EDX)分析揭示了在具有本文描述的SSAE电解质添加剂的电化学电池中使用的一些电极的表面上存在Si和S二者。在具有包含至少一种SSAE的电解质的电化学电池中循环之后，电极可以在用于电化学电池中之后被移出并且通过EDX分析来确定电极的表面组成。因此，根据一些实施方案，电极表面上的涂层显示为包含硫和硅二者。不希望受理论的束缚，涂层可以包含硫酸锂和/或三甲基甲硅烷基部分。
电解质可以包含复数个传导离子。“传导离子”被赋予其在本领域中的普通含义以描述能够穿过离子渗透膜，例如穿过离子传导膜从一个位置传递至另一位置的离子。在一些实施方案中，离子也可以是导电的。在一些实施方案中，传导离子包括锂离子，例如来自锂盐的那些。以下描述锂盐的实例。
在一些实施方案中，电解质包含一种或更多种锂盐以提供复数个传导离子。锂盐的非限制性实例包括六氟磷酸锂(LiPF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)和双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)。锂盐的另外非限制性实例包括LiSCN、LiBr、LiI、LiSO3CH3、LiNO3、LiPF6、LiBF4、LiB(Ph)4、LiClO4、LiAsF6、Li2SiF6、LiSbF6、LiAlCl4、双(草酸)硼酸锂(LiBOB)、二氟(草酸)硼酸锂(LIODFB)、LiCF3SO3、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiC(CnF2n+1SO2)3，其中n为1至20范围内的整数，和(CnF2n+1SO2)mXLi，其中n为1至20范围内的整数，当X选自氧或硫时m为1，当X选自氮或磷时m为2，以及当X选自碳或硅时m为3，其它锂盐是可能的。
本文描述的电解质可以包含溶剂。作为非限制性实例，溶剂可以包括多种液体，包括基于醚的和/或基于碳酸酯的有机溶剂。在某些现有系统中，电解质降解可能导致形成气态副产物，也称为产气。电池中这些气态副产物的释放可能导致电池鼓胀，并且在一些情况下，可能导致电池损坏或电池爆炸。产气还可能降低电池的循环性能。如上所述，在本公开内容的上下文中已经认识和理解到，使用如本文描述的SSAE可以减少产气量，这也可以引起电池循环性能的提高。
在一些实施方案中，电解质包含基于碳酸酯的溶剂。在一些实施方案中，基于碳酸酯的溶剂包括碳酸二甲酯和/或氟代碳酸亚乙酯。然而，可以使用任何合适的溶剂(即，溶解复数个传导离子和/或SSAE的溶剂)。在一些实施方案中，溶剂(例如，液体电解质溶剂)为非水性溶剂。非水性液体电解质溶剂的非限制性实例包括但不限于非水性有机溶剂，例如N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛、缩酮、酯、碳酸酯、砜、亚硫酸酯、环丁砜、脂族醚、环醚、甘醇二甲醚、聚醚、磷酸酯、硅氧烷、二氧戊环(例如，1,3-二氧戊环)、N-烷基吡咯烷酮、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、前述的取代形式及其共混物。前述的氟化衍生物也可用作液体电解质溶剂。在一些情况下，水性溶剂可以用作锂电池用电解质。水性溶剂可以包括水，其可以包含其他组分例如离子盐。在一些实施方案中，电解质可以包含诸如氢氧化锂的物质，或者使电解质呈碱性的其他物质以降低电解质中氢离子的浓度。
在一些实施方案中，电解质包含有机溶剂，所述有机溶剂可以包括选自以下的组中的一种或更多种基于碳酸酯的溶剂：氟代碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸亚乙酯。在一些实施方案中，有机溶剂可以包含氟代碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的混合物。在一些这样的实施方案中，有机溶剂中氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的基于重量的比率(FEC:DMC)在一些情况下可以大于或等于1:10、大于或等于1:9、大于或等于1:8、大于或等于1:7、大于或等于1:5、大于或等于1:4、大于或等于1:3、大于或等于1:2、大于或等于1:1、大于或等于2:1、大于或等于3:1、大于或等于4:1、大于或等于5:1、大于或等于6:1、大于或等于10:1、大于或等于20:1、大于或等于30:1、大于或等于40:1、大于或等于50:1、大于或等于60:1、大于或等于70:1、大于或等于80:1、大于或等于90:1、或者大于或等于100:1。在一些实施方案中，氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的基于重量的比率可以小于或等于100:1、小于或等于90:1、小于或等于80:1、小于或等于70:1、小于或等于60:1、小于或等于50:1、小于或等于40:1、小于或等于30:1、小于或等于20:1、小于或等于10:1、小于或等于6:1、小于或等于5:1、小于或等于4:1、小于或等于3:1、小于或等于2:1、小于或等于1:1、小于或等于1:2、小于或等于1:3、小于或等于1:4、小于或等于1:5、小于或等于1:7、小于或等于1:8、小于或等于1:9、小于或等于1:10。上述范围的组合也是可能的(例如，氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的重量比可以大于或等于1:10且小于或等于100:1)。在一些实施方案中，有机溶剂中氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的重量比可以大于或等于1:4且小于或等于1:3。其他范围是可能的。然而，在一些实施方案中，有机溶剂可以排他地包含氟代碳酸亚乙酯(例如，有机溶剂仅包含氟代碳酸亚乙酯)。有机溶剂的其他组成是可能的。
本文描述的制品和方法可以包括电极(例如，第一电极如阴极)。在一些实施方案中，电极为阴极。在一些实施方案中，阴极可以包括金属(例如，过渡金属)。在一些实施方案中，阴极的金属包括Ni、Co和/或Mn。阴极可以包括金属氧化物，例如LiCoO2、LiCoxNi(1-x)O2、LiCoxNiyMn(l-x-y)(例如，LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、LiMn2O4、及其组合。在一些实施方案中，电极内的阴极活性材料可以包括锂过渡金属磷酸盐(例如，LiFePO4)，在一些实施方案中，其可以用硼酸盐和/或硅酸盐替代。根据一些实施方案，多种其他阴极活性材料适合于与本文描述的电化学电池的阴极一起使用。在一些实施方案中，阴极活性材料包括锂嵌入化合物(例如，能够在晶格位点和/或间隙位点处可逆地嵌入锂离子的化合物)。在一些情况下，阴极活性材料包括层状氧化物。层状氧化物通常是指具有层状结构(例如，彼此堆叠的复数个片或层)的氧化物。合适的层状氧化物的非限制性实例包括锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、和锂锰氧化物(LiMnO2)。在一些实施方案中，层状氧化物为锂镍锰钴氧化物(LiNixMnyCozO2，也称为“NMC”或“NCM”)。在一些这样的实施方案中，x、y和z之和为1。例如，合适的NMC化合物的非限制性实例为LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2。在一些实施方案中，层状氧化物可以具有式(Li2MnO3)x(LiMO2)(1-x)，其中M为Ni、Mn和Co中的一者或更多者。例如，层状氧化物可以为(Li2MnO3)0.25(LiNi0.3Co0.15Mn0.55O2)0.75。在一些实施方案中，层状氧化物为锂镍钴铝氧化物(LiNixCoyAlzO2，也称为“NCA”)。在一些这样的实施方案中，x、y和z之和为1。例如，合适的NCA化合物的非限制性实例为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。在一些实施方案中，阴极活性材料为过渡金属聚阴离子氧化物(例如，包含过渡金属、氧和/或具有绝对值大于1的电荷的阴离子的化合物)。合适的过渡金属聚阴离子氧化物的一个非限制性实例为磷酸铁锂(LiFePO4，也称为“LFP”)。合适的过渡金属聚阴离子氧化物的另一个非限制性实例为锂锰铁磷酸盐(LiMnxFe1-xPO4，也称为“LMFP”)。合适的LMFP化合物的非限制性实例为LiMn0.8Fe0.2PO4。在一些实施方案中，阴极活性材料为尖晶石(例如，具有结构AB2O4的化合物，其中A可以为Li、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Ti或Si，以及B可以为Al、Fe、Cr、Mn、或V)。合适的尖晶石的非限制性实例为具有化学式LiMxMn2-xO4的锂锰氧化物，其中M为Co、Mg、Cr、Ni、Fe、Ti和Zn中的一者或更多者。在一些实施方案中，x可以等于0，并且尖晶石可以为锂锰氧化物(LiMn2O4，也称为“LMO”)。另一个非限制性实例为锂锰镍氧化物(LiNixM2-xO4，也称为“LMNO”)。合适的LMNO化合物的非限制性实例为LiNi0.5Mn1.5O4。在一些情况下，第二电极的电活性材料包括Li1.14Mn0.42Ni0.25Co0.29O2(“HC-MNC”)、碳酸锂(Li2CO3)、锂碳化物(例如，Li2C2、Li4C、Li6C2、Li8C3、Li6C3、Li4C3、Li4C5)、钒氧化物(例如，V2O5、V2O3、V6O13)、和/或钒磷酸盐(例如，磷酸钒锂，例如Li3V2(PO4)3)、或其任何组合。
在一些实施方案中，阴极活性材料包括转化化合物(conversion compound)。例如，阴极可以为锂转化阴极。已经认识到，包含转化化合物的阴极可以具有相对大的比容量。不希望受特定理论的束缚，相对大的比容量可以通过利用化合物的所有可能的氧化态经由转化反应来实现，在所述转化反应中每过渡金属发生大于一个电子转移(例如，与嵌入化合物中0.1至1个电子转移相比)。合适的转化化合物包括但不限于过渡金属氧化物(例如Co3O4)、过渡金属氢化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物、和过渡金属氟化物(例如CuF2、FeF2、FeF3)。过渡金属通常是指原子具有部分填充的d亚层的元素(例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Rf、Db、Sg、Bh、Hs)。
在一些情况下，阴极活性材料可以掺杂有一种或更多种掺杂剂以改变阴极活性材料的电特性(例如，导电性)。合适的掺杂剂的非限制性实例包括铝、铌、银和锆。
在一些实施方案中，阴极活性材料可以通过包含氧化物的表面涂层进行改性。表面氧化物涂层材料的非限制性实例包括：MgO、Al2O3、SiO2、TiO2、ZnO2、SnO2和ZrO2。在一些实施方案中，这样的涂层可以防止阴极活性材料与电解质之间的直接接触，从而抑制副反应。
在一些实施方案中，电极为阳极(例如，第二电极如阳极)。例如，在一些实施方案中，阳极包含锂，例如锂金属和/或锂合金。锂的实例包括但不限于锂金属(例如，锂箔和/或沉积在导电基底上的锂)、锂金属合金(例如，锂-铝合金和锂-锡合金)和真空沉积的锂金属。在一些情况下，锂金属/锂金属合金可以仅在充电/放电循环的一部分期间存在。例如，可以在阳极集流体上没有任何锂金属/锂金属合金的情况下构建电池，并且随后可以在充电步骤期间将锂金属/锂金属合金沉积在阳极集流体上。
多种阳极活性材料可以适合于与本文描述的电化学电池的阳极一起使用。如上所述，在一些实施方案中，阳极活性材料包括锂(例如，锂金属)，例如锂箔、沉积在导电基底或非导电基底上的锂，以及锂合金(例如，锂-铝合金和锂-锡合金)。锂可以作为一个膜或作为数个膜(任选地分开)而包含在内。本文描述的方面中使用的合适的锂合金可以包括锂与铝、镁、硅(silicium)(硅(silicon))、铟和/或锡的合金。在一些实施方案中，阳极活性材料在电化学电池的充电/放电循环的至少一部分期间包含锂(例如，锂金属和/或锂金属合金)。
在一些实施方案中，阳极活性材料包含大于或等于50重量％的锂。在一些情况下，阳极活性材料包含大于或等于75重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的锂。在一些实施方案中，阳极活性材料包含小于或等于99重量％、小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、小于或等于75重量％、或者小于或等于50重量％的锂。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于50重量％的锂且小于或等于99重量％的锂)。其他范围是可能的。
在一些实施方案中，阳极是在放电期间锂离子从其中释放并且在充电期间锂离子集成(例如，嵌入)到其中的电极。在一些实施方案中，阳极活性材料为锂嵌入化合物(例如，能够在晶格位点和/或间隙位点处可逆地嵌入锂离子的化合物)。在一些实施方案中，阳极活性材料包括碳。在一些情况下，阳极活性材料为石墨材料(例如，石墨)或包括石墨材料(例如，石墨)。石墨材料通常是指包括多个石墨烯层(即，包含以六方晶格共价键合的碳原子的层)的材料。相邻的石墨烯层通常通过范德华力彼此吸引，但在一些情况下，在一个或更多个片之间可能存在共价键。在一些情况下，含碳的阳极活性材料为焦炭(例如，石油焦炭)或包括焦炭(例如，石油焦炭)。在一些实施方案中，阳极活性材料包括硅、锂和/或其组合的任何合金。在一些实施方案中，阳极活性材料包括钛酸锂(Li4Ti5O12，也称为“LTO”)、锡-钴氧化物、或其任何组合。
在一些实施方案中，电极例如阳极，可以包含其他电活性材料，包括但不限于其他碱金属(例如，钠、钾、铷、铯、钫)、碱土金属(例如，铍、镁、钙、锶、钡、镭)、过渡金属(例如，钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、银、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金)等。
在一些实施方案中，在电极附近可以定位有任选层。任选层的一个实例为图2A至2D中的任选层260。在一些实施方案中，任选层可以定位在第一电极与第二电极之间。在一些实施方案中，任选层定位在第一电极与电解质之间。在一些实施方案中，任选层包括聚合物层和/或离型层。另外地或替代地，在一些实施方案中，任选层可以为对于复数个传导离子是传导性的聚合物层(例如，间隔件)。合适的聚合物包括但不限于导电的离子传导聚合物和电绝缘的离子传导聚合物二者。可能的导电聚合物包括但不限于聚(乙炔)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)、聚(芴)、聚萘、聚(对苯硫醚)和聚(对亚苯基亚乙烯基)。可能的电绝缘聚合物包括但不限于丙烯酸酯、聚环氧乙烷、有机硅和聚氯乙烯。本文描述的用于离型层的聚合物也可以用作任选层。在一些这样的实施方案中，聚合物以非溶胀状态(例如，作为薄膜)存在，例如以其中通过陶瓷、玻璃或玻璃状陶瓷层将包含聚合物的任选层与电解质分开的配置存在。以上聚合物可以掺杂有离子传导盐以提供或增强期望的离子传导特性。用于基于锂的电池的合适的盐包括，例如，LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)3和LiN(SO2CF3)2，但是也可以使用其他盐用于其他化学物质。以上材料可以使用旋转浇铸、刮涂、闪蒸或任何其他合适的沉积技术来沉积。在一些实施方案中，任选层由本文列出的用于离型层的合适聚合物材料形成或包括本文列出的用于离型层的合适聚合物材料，所述合适聚合物材料任选地具有改变的分子量、交联密度和/或添加的添加剂或其他组分。在其中存在多于一个任选层的实施方案中，每个任选层可以各自独立地包含一种或更多种上述材料。
如本文描述的，在一些实施方案中，在电极上形成涂层。形成涂层可以包括使电极暴露于溶液，该溶液包含甲硅烷基化磺酸酯。例如，可以在暴露步骤期间使用上文和本文其他地方描述的SSAE。在一些情况下，当暴露于包含SSAE的电解质溶液时，电极涂层可以自发地形成。然而，在一些情况下，在形成涂层时可以发生中间过程。例如，一些实施方案包括向电极施加第一电压。向电极施加电压可以促进或引起涂层(或反应产物)与电极相邻(例如，直接相邻)形成。在一些实施方案中，向电极施加第二电压，并且第二电压可以促进或引起涂层(或反应产物)与电极相邻(例如，直接相邻)形成。第二电压可以具有与第一电压相反的符号。也就是说，在一些实施方案中，可以向第一电极施加正电压，而向第二电极施加负电压。然而，施加相同符号的电压也是可能的。
本文描述的实施方案可以与任何合适类型的电化学电池例如锂离子电池结合使用。在一些实施方案中，电化学电池为一次(不可再充电)电池。在另一些实施方案中，电化学电池可以为二次(可再充电)电池。一些实施方案涉及锂可再充电电池。在一些情况下，电化学电池包括锂-硫可再充电电池。然而，无论本文中在何处描述锂电池，都应理解可以使用任何类似的碱金属电池。另外，虽然本发明的实施方案特别可用于锂阳极或过渡金属阴极的保护，但本文描述的实施方案可以适用于其中期望电极保护的其他应用。
在一些实施方案中，在充电和/或放电期间向本文描述的电化学电池施加各向异性力可以是有利的。电化学电池可以包含含有一种或更多种如上所述的SSAE的电解质。在一些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或电极可以被配置成在保持其结构完整性的同时承受所施加的各向异性力(例如，施加以增强电池内的电极的形态的力)。本文描述的电极可以为电化学电池的一部分，其被适配和布置成使得在电池的充电和/或放电期间的至少一段时间期间向电池施加具有垂直于电化学电池内的电极(例如，包含锂金属和/或锂合金的阳极)的活性表面的分量的各向异性力。在一组实施方案中，可以选择所施加的各向异性力以增强电极(例如，阳极如锂金属和/或锂合金阳极)的形态。如本领域所理解的，“各向异性力”为不在所有方向上相等的力。
在一些这样的情况下，各向异性力包括垂直于电化学电池内的电极(例如，第一电极如阴极，第二电极如阳极)的活性表面的分量。如本文所用，术语“活性表面”用于描述电极的在其上可以发生电化学反应的表面。具有与表面“垂直的分量”的力被赋予其如本领域普通技术人员所理解的普通含义，并且包括例如在基本上垂直于表面的方向上至少部分地使其自身发挥作用的力。例如，在具有放在桌上的物体并且仅受重力影响的水平桌的情况下，物体施加基本上完全垂直于桌的表面的力。如果还在水平桌表面上侧向地推动物体，则物体对桌施加力，该力虽然不完全垂直于水平表面，但包括垂直于桌表面的分量。普通技术人员将理解这些术语的其他实例，尤其是在本文件的描述中应用的其他实例。在弯曲表面(例如，凹面或凸面)的情况下，各向异性力的垂直于电极的活性表面的分量可以对应于垂直于在施加各向异性力的点处与弯曲表面相切的平面的分量。在一些情况下，各向异性力可以施加在任选地分布在阳极的活性表面上的一个或更多个预定位置处。在一些实施方案中，各向异性力被均匀地施加在第一电极(例如，阴极)和/或第二电极(例如，阳极)的活性表面上。
在充电和/或放电期间向电化学电池施加各向异性力(例如，在电池的充电和/或放电期间)的同时，本文描述的任何电化学电池特性和/或性能指标可以单独或彼此组合实现。在一些实施方案中，向电极、向电化学电池施加的各向异性力(例如，在电池的充电和/或放电期间的至少一段时间期间)可以包括垂直于电极(例如，电化学电池内的阳极如锂金属和/或锂合金阳极)的活性表面的分量。在一些实施方案中，各向异性力的垂直于电极的活性表面的分量限定以下压力：大于或等于1kg/cm2、大于或等于2kg/cm2、大于或等于4kg/cm2、大于或等于6kg/cm2、大于或等于8kg/cm2、大于或等于10kg/cm2、大于或等于12kg/cm2、大于或等于14kg/cm2、大于或等于16kg/cm2、大于或等于18kg/cm2、大于或等于20kg/cm2、大于或等于22kg/cm2、大于或等于24kg/cm2、大于或等于26kg/cm2、大于或等于28kg/cm2、大于或等于30kg/cm2、大于或等于32kg/cm2、大于或等于34kg/cm2、大于或等于36kg/cm2、大于或等于38kg/cm2、大于或等于40kg/cm2、大于或等于42kg/cm2、大于或等于44kg/cm2、大于或等于46kg/cm2、或者大于或等于48kg/cm2。在一些实施方案中，各向异性力的垂直于活性表面的分量可以例如限定以下压力：小于或等于50kg/cm2、小于或等于48kg/cm2、小于或等于46kg/cm2、小于或等于44kg/cm2、小于或等于42kg/cm2、小于或等于40kg/cm2、小于或等于38kg/cm2、小于或等于36kg/cm2、小于或等于34kg/cm2、小于或等于32kg/cm2、小于或等于30kg/cm2、小于或等于28kg/cm2、小于或等于26kg/cm2、小于或等于24kg/cm2、小于或等于22kg/cm2、小于或等于20kg/cm2、小于或等于18kg/cm2、小于约16kg/cm2、小于或等于14kg/cm2、小于或等于12kg/cm2、小于或等于10kg/cm2、小于或等于8kg/cm2、小于或等于6kg/cm2、小于或等于4kg/cm2、或者小于或等于2kg/cm2。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1kg/cm2且小于或等于50kg/cm2)。其他范围是可能的。
如本文描述的在充电和/或放电期间施加的各向异性力可以使用本领域已知的任何方法来施加。在一些实施方案中，可以使用压缩弹簧来施加力。可以使用其他元件(在外壳结构的内部或外部)来施加力，所述元件包括但不限于贝氏垫圈(Belleville washer)、机械螺钉、气动装置和/或重物等。在一些情况下，可以在将电池嵌入外壳结构中之前对其进行预压缩，并且在将其嵌入外壳结构时，其可以膨胀以对电池产生净力。用于施加这样的力的合适方法详细描述在例如美国专利第9,105,938号中，其通过引用整体并入本文。
在一些实施方案中，电极(例如，包含所述物质和/或其反应产物)可以为电化学电池(例如，可再充电电化学电池)的一部分。在一些实施方案中，电极(例如，包含所述物质和/或其反应产物)可以为集成到电池组(例如，可再充电电池)中的电化学电池的一部分。在一些实施方案中，本文公开的电化学电池被集成到电池组(例如，可再充电电池)中。
在一些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或可再充电电池可以用于为电动交通工具提供动力或以其他方式被并入到电动交通工具中。作为非限制性实例，在一些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或可再充电电池可以用于为电动交通工具的传动系提供动力。交通工具可以为适用于在陆地、海洋和/或空中行驶的任何适合的交通工具。例如，交通工具可以为汽车、卡车、摩托车、船、直升机、飞机和/或任何其他合适类型的交通工具。
以下实施例旨在举例说明本发明的某些实施方案，但不例示本发明的全部范围。
实施例1
以下实施例描述了两种电化学电池的制备：一种电池在电解质中包含甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)，以及一种电池没有甲硅烷基化磺酸酯。在该实施例中，测量达到80％电池容量的循环次数以证明在如本文描述的包含甲硅烷基化磺酸酯的情况下的改善容量。
在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)的电化学电池的电化学电池制备和充电/放电循环
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚的Cu集流体上的真空沉积的Li(厚度15μm)，该Cu集流体设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上2重量％双-三甲基甲硅烷基硫酸酯和1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。达到初始容量的80％的循环次数为320。
在电解质中不含甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池的电化学电池制备和充电/放电循环
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚的作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度15μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。达到初始容量的80％的循环次数为214。
实施例2
以下实施例描述了两种电化学电池的制备：一种电池在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)，以及一种电池没有甲硅烷基化磺酸酯。在该实施例中，使用阿基米德法测量气态产物(例如，副产物)的体积以证明在如本文描述的包含甲硅烷基化磺酸酯的情况下气态副产物形成的减少。
在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)的电化学电池的电化学电池制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度15μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上2重量％双-三甲基甲硅烷基硫酸酯和1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第4次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为2.5mL。
在电解质中不含甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池的电化学电池制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度15μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第4次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为3.3mL。
实施例3
以下实施例描述了两种电化学电池的制备：一种电池在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)，以及一种电池没有甲硅烷基化磺酸酯。在该实施例中，使用阿基米德法测量气态产物(例如，气态副产物)的体积以证明在如本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的情况下气态副产物形成的减少。
在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(双-三甲基甲硅烷基硫酸酯)的电化学电池的电化学电池制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度19μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.57mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM721)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.5mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)和4重量％双-三甲基甲硅烷基硫酸酯中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第425次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为2.9mL。
在电解质中不含甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池的制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度19μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.57mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM721)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.5mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第425次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为3.6mL。
实施例4
以下实施例描述了两种电化学电池的制备：一种电池在电解质中具有亚甲基二磺酸的双-三甲基甲硅烷基酯(即，双(三甲基甲硅烷基)亚甲基二磺酸酯)，以及一种电池没有该甲硅烷基化磺酸酯。在该实施例中，使用阿基米德法测量气态产物(例如，气态副产物)的体积以证明在如本文描述的甲硅烷基化磺酸酯的情况下气态副产物形成的减少。
在电解质中具有甲硅烷基化磺酸酯(亚甲基二磺酸的双-三甲基甲硅烷基酯)的电化学电池的电化学电池制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度15μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％亚甲基二磺酸的双-三甲基甲硅烷基酯中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第4次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为4.3mL。
在电解质中不含甲硅烷基化磺酸酯的电化学电池的电化学电池制备和气体副产物体积确定
通过以下方法制备电化学电池：第一电极(阳极)是在200nm厚作为集流体的Cu上的真空沉积的Li(厚度15μm)，作为集流体的Cu设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。多孔间隔件为9μm厚的聚烯烃膜(Entek)，以及第二电极(阴极)为涂覆在20μm厚的铝基底集流体(在该集流体的各侧上负载有约20.62mg/cm2的活性阴极材料(ACM))上的镍锰钴(NCM811)。将以上组件组装成阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极/间隔件/阴极/间隔件/阳极的堆叠层状结构。总的活性阴极表面积为100cm2。
在将电池组件密封在箔袋中之后，添加适量的电解质(例如，0.55mL)。然后将电池封装件真空密封。使这些电池不受约束地浸泡在电解质中24小时。用包含1M六氟磷酸锂(LiPF6)在80重量％:20重量％的碳酸二甲酯(DMC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的混合物(BASFLP9)加上1重量％双(草酸)硼酸锂(LiBOB)中的电解质来制备上述电池。在将电池浸泡在电解质中之后，施加10kg/cm2的压力，并在该压力下使电池循环。在以下条件下进行充电和放电循环：C/10(30mA)充电至4.4V，然后在4.4V下逐渐减小至3mA；C/2.5(120mA)放电至3.2V。在第4次充电之后，将电池放入热烘箱(60℃)中48小时(电荷保持)。在电荷保持期间形成的气态产物的体积为5.9mL。
实施例5
以下实施例描述多种SSAE的合成。
双-三甲基甲硅烷基硫酸酯的合成：
Figure BDA0004225161550000301
向在200mL苯中的24.5g(0.250mol)硫酸中滴加66mL(57g，0.525mol)三甲基甲硅烷基氯化物，同时在50℃下搅拌2小时，然后加热至80℃持续16小时。从反应混合物中蒸馏出苯，并将残余物在真空下蒸馏。产物的产率为86.5％，熔点为58℃至60℃。产物的结构用NMR(1H，13C，29Si)来确定。
亚甲基二磺酸双(三甲基甲硅烷基)酯的合成：
Figure BDA0004225161550000311
在搅拌的同时在55℃下向在200mL无水苯中的25g(0.142mol)亚甲基二磺酸添加72mL(61.7g，0.568mol)三甲基甲硅烷基氯化物。在添加完成之后，将反应混合物在相同温度下搅拌16小时。从反应混合物中蒸馏出苯，并将残余物在真空下蒸馏。产物的产率为54％，在0.4mm Hg下的沸点为70℃至80℃。产物的结构用NMR(1H，13C，29Si)来确定。
对甲苯磺酸三甲基甲硅烷基酯的合成：
Figure BDA0004225161550000312
在搅拌的同时在50℃下向在160mL无水苯中的27.16g(0.158mol)对甲苯磺酸添加22mL(18.85g，0.173mol)三甲基甲硅烷基氯化物。在添加完成之后，将反应混合物在30℃下搅拌16小时。从反应混合物中蒸馏出苯，并将残余物在真空下蒸馏。产物的产率为71％，在0.4mm Hg下的沸点为80℃。产物的结构用NMR(1H，13C，29Si)来确定。
虽然本文中已经描述和举例说明了本发明的数个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易预想用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他方式和/或结构，并且每个这样的变型和/或修改都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置意指是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的具体的一个或多个应用。本领域技术人员将认识到或仅使用常规实验能够确定本文描述的本发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅通过实例给出，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以除具体描述和要求保护之外的方式实施。本发明涉及本文描述的每个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法没有相互不一致，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
除非明确地指出相反，否则如本文在说明书和权利要求中使用的没有数量词修饰的不定冠词应理解为意指“至少一者”。
如本文在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一者或两者”，即在一些情况下共同存在而在另一些情况下分别存在的要素。除非明确地指出相反，否则除由“和/或”子句具体标识的要素之外还可以任选地存在其他要素，无论其与具体标识的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言例如“包括”结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可以指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可以指A和B二者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书和权利要求中使用的，“或/或者”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或/或者”或“和/或”应解释为包括性的，即，包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括多于一个，以及任选地另外未列出的项目。仅明确指出相反的术语，例如“仅之一”或“恰好之一”，或者当用于权利要求时“由......组成”，将是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，当前面有排他性术语(例如“任一”、“之一”、“仅之一”或“恰好之一”)时，如本文所用的术语“或/或者”仅应解释为指示排他性替代方案(即“一个或另一个但并非二者”)。当在权利要求中使用时，“基本上由...组成”应具有其在专利法领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中使用的，在提及一个或更多个要素的列表时，短语“至少一个”应理解为意指选自要素列表中任一个或更多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素列表内明确列出的各个和每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除了短语“至少一个”所提及的要素列表中明确标识的要素之外的要素，无论其与明确标识的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一者”(或等同地，“A或B中的至少一者”，或等同地，“A和/或B中的至少一者”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它要素)；等等。
一些实施方案可以体现为方法，其中已经描述了各种实施例。作为所述方法的一部分而执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建其中以不同于所示顺序执行动作的实施方案，其可以包括与所描述的那些不同(例如，更多或更少)的动作，和/或可能涉及同时执行一些动作，即使这些动作在以上具体描述的实施方案中显示为顺序执行。
在权利要求中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅仅被用作标记以对具有某个名称的一个权利要求要素和具有同一名称(但是使用了序数术语)的另一要素进行区分，以区分权利要求要素。
在权利要求中以及以上说明书中，所有过渡短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等都应理解为开放式的，即理解为意指包括但不限于。仅过渡短语“由...组成”和“基本上由...组成”应分别为封闭或半封闭的过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册的第2111.03节所述。

Claims (45)

1.一种电解质，包含：
复数个传导离子；
至少一种溶剂；和
至少一种甲硅烷基化磺酸酯。
2.一种制品，包括：
电极；和
与所述电极相邻的涂层，其中所述涂层包含甲硅烷基化磺酸酯和过渡金属的反应产物。
3.一种在电极上形成涂层的方法，所述方法包括：
使电极暴露于溶液，所述溶液包含甲硅烷基化磺酸酯；以及
在所述电极上形成所述涂层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述复数个传导离子包括锂盐，任选地其中所述锂盐包括碱金属六氟磷酸盐、三氟甲磺酸盐、双(三氟甲基)磺酰胺盐、和/或双氟磺酰亚胺盐。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述电极包括金属，任选地，其中所述金属包括锂金属。
6.根据权利要求5所述的电解质、制品或方法，其中所述金属包括Ni、Co、Mn、Al和/或Mg。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述电极为阴极或阳极。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述电极为锂嵌入电极或锂金属电极。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述电解质包含双氟(草酸)硼酸盐和/或二氟(草酸)硼酸盐。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述溶剂包括基于碳酸酯的溶剂，任选地其中所述基于碳酸酯的溶剂包括碳酸二甲酯和/或氟代碳酸亚乙酯。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括双(三甲基甲硅烷基)硫酸酯。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括连接的二磺酸酯。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括芳族磺酸酯。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括环状磺酸酯。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000021
其中，各R1和R2能够相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。
16.根据权利要求15所述的电解质、制品或方法，其中R1和R2各自独立地选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
17.根据权利要求15所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯具有下式：
Figure FDA0004225161540000022
18.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000031
其中R1选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。
19.根据权利要求18所述的电解质、制品或方法，其中R1选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000032
其中R3选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。
21.根据权利要求20所述的电解质、制品或方法，其中R3选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
22.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000041
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤k≤10。
23.根据权利要求22所述的电解质、制品或方法，其中R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
24.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000042
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤m≤10。
25.根据权利要求24所述的电解质、制品或方法，其中R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
26.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述甲硅烷基化磺酸酯包括下式：
Figure FDA0004225161540000051
其中，各R5和R6能够相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，其中1≤n≤10，以及其中1≤p≤10。
27.根据权利要求26所述的电解质、制品或方法，其中R5和R6各自独立地选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
28.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中在所述电解质中所述甲硅烷基化磺酸酯的浓度小于或等于10重量％和/或大于或等于0.01重量％。
29.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述涂层和/或所述反应产物包含Si和S。
30.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，其中所述电解质包含甲硅烷基化磺酸酯的混合物。
31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括向所述电极施加第一电压，任选地包括向所述电极施加第二电压。
32.根据前述权利要求中任一项所述的电解质、制品或方法，还包括第二电极。
33.一种锂离子电池，包含根据前述权利要求中任一项所述的电解质或制品。
34.一种电解质添加剂，包括下式：
Figure FDA0004225161540000061
其中R3选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基。
35.根据权利要求34所述的电解质添加剂，其中R3选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
36.根据权利要求34所述的电解质添加剂，其中甲硅烷基化磺酸酯具有下式：
Figure FDA0004225161540000062
37.一种电解质添加剂，包括下式：
Figure FDA0004225161540000063
其中R4为氢；选自经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤k≤10。
38.根据权利要求37所述的电解质添加剂，其中R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
39.根据权利要求37所述的电解质添加剂，具有下式：
Figure FDA0004225161540000071
40.一种电解质添加剂，包括下式：
Figure FDA0004225161540000072
其中R4选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，以及其中1≤m≤10。
41.根据权利要求40所述的电解质添加剂，其中R4选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
42.根据权利要求40所述的电解质添加剂，其中甲硅烷基化磺酸酯具有下式：
Figure FDA0004225161540000081
43.一种电解质添加剂，包括下式：
Figure FDA0004225161540000082
其中，各R5和R6能够相同或不同，并且各自独立地选自氢；经取代或未经取代的支化或非支化的脂族的；经取代或未经取代的环状的；经取代或未经取代的支化或非支化的无环的；经取代或未经取代的支化或非支化的杂脂族的；经取代或未经取代的支化或非支化的酰基；经取代或未经取代的芳基；和经取代或未经取代的杂芳基，其中1≤n≤10，以及其中1≤p≤10。
44.根据权利要求43所述的电解质添加剂，其中各R5和R6独立地选自经取代或未经取代的硝基芳基；经取代或未经取代的稠合芳基；和经取代或未经取代的全氟烷基芳基。
45.根据权利要求43所述的电解质添加剂，其中甲硅烷基化磺酸酯具有下式：
Figure FDA0004225161540000091
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