CN1610179A - 有机电解溶液和使用该有机电解溶液的锂电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机电解溶液,其包含卤代苯化合物,如1-碘苯或1-氯苯。特别地,该卤代苯化合物具有高极性并能降低锂金属表面的活性。根据卤代苯化合物的这些特性,锂离子不易与硫阴离子结合。因此,电解液中的硫化物的可溶性增大,从而提高锂离子充电/放电效率和电池的寿命。此外,根据本发明的有机电解溶液能用于任何类别的阳极由锂金属构成的电池,特别是锂硫电池。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2003年10月24日提交给韩国知识产权局的第2003-74661号韩国专利申请的优先权,该申请公开的全部在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种有机电解溶液和使用该有机电解溶液的锂电池。特别地,本发明涉及一种能对锂金属表面进行稳定化处理从而提高锂电池的充电/放电效率的有机电解溶液。
背景技术
随着对小型便携式电子设备要求的提高,对于作为电源的高能密度的电池的要求也相应增加。此外,也需要更经济、安全和环保的电池。锂硫电池因其具有高能密度从而能满足上述需求。
锂硫电池可以使用作为活性物质的锂和环丁砜(S8)制成。这将使得电池分别具有大约3830mAh/g和1675mAh/g的能量密度,该电池还是经济的和环保的。然而,在电池中使用这些活性物质有一些副作用。
首先,因为硫作为活性物质在电化学氧化—还原反应中效率低,电池的容量也低。另外,因为在氧化和还原反应时硫的流出物会进入电解溶液,电池的使用寿命会缩短。最后,如果硫和不相容的电解溶液一起使用,将会形成Li2S,同时硫在电化学反应中将不再有效。
为了克服这些缺点,需要最优的电解溶液。例如,美国专利No.6030720公开了R1(CH2CH2O)nR2作为主要溶剂的用途,其中n从2到10且R是烷基或烷氧基,混合溶剂中有15种或更多的给体作为联合溶剂。另外,还可使用由一种或多种化合物组成的液体电解溶液,如冠醚、穴状配体和/或混有15种或更多给体的溶剂。然而,这样,液体电解溶液在放电之后会成为阴极电解液,导致在电池中产生400um左右的隔离区。此外,为了提高电池的使用寿命和安全性,美国专利No.5961672公开了一种由聚合膜覆盖的锂金属阳极和1MLiSO3CF3在1-3二氧戊环、二甘醇二甲醚、环丁砜和二乙氧基乙烷按照50∶20∶10∶20的比例组成的混合溶剂中的有机电解溶液的用途。
当锂电池的阳极由金属锂制成时,电池的性能会很差。特别是,由于形成于金属锂阳极表面且深入到阴极表面的枝状晶体(dendrite),电池寿命会缩短。此外,电池的容量因金属锂和电解溶液之间的反应所造成的阳极表面腐蚀而降低。为了克服这些问题,美国专利No.6017651、6025094和5961672公开了在金属锂电极表面的保护层的构成。
然而,为了有效,保护层必须允许锂离子通过并且作为栅栏防止电解溶液与锂阳极接触。通常,锂保护层是由锂和电解溶液中的添加剂在电池制成之后反应而形成的。然而,通过这种方法形成的保护层有一些缺点,比如低密度。另外,相当多的电解溶液会从保护层上的小孔渗透并和金属锂发生不需要的反应。作为选择,锂的氮化物(Li3N)保护层可通过将锂电极暴露在氮等离子体中而制备。然而,使用锂的氮化物保护层会有一些问题。特别是,电解溶液可能从锂的氮化物层的晶粒边界泄露出来。此外,锂的氮化物层易受影响而退化并且具有低门限电压(potential window)(0.45V)。因此,锂的氮化物层不实用。
发明内容
本发明涉及一种能稳定金属锂的有机电解溶液。特别是,本发明的有机电解溶液含有一种可以被金属锂吸收的添加剂。此外,本发明涉及提高锂电池的充电/放电效率。
根据本发明的的一个方面,所述的有机电解溶液含有锂盐;含有一种或多种化合物的有机电解溶液,例如聚甘醇二醚(polyglyme)和二氧戊环,和如下所示由式(1)代表的的卤代苯化合物:
式1
其中X1至X6的每一个可独立为氢、Br、Cl、I、C1-C12氟代烷基、C1-C12氯代烷基、C1-C12碘代烷基、C6-C20氯代芳基、C6-C20氟代芳基、C6-C20碘代芳基、C2-C20氟代杂芳基、C2-C20氯代杂芳基、和C2-C20碘代杂芳基。此外,X1至X6中至少一个可以不是氢。
本发明的一个方面还可提供一种包括阴极、阳极、位于阴极和阳极之间的隔离物和有机电解溶液的锂电池。阳极可以是锂金属电极。有机电解溶液可包括锂盐和有机溶剂。有机溶剂可包括一种或多种聚合物和/或二氧戊环,和式(1)代表的卤代苯化合物。
附图说明
图1举例说明了本发明的原理。
图2举例说明了与如实施例1-4和16制备的碘苯浓度相关的锂电池的Li循环效率。
图3描述了与如实施例5-8和16制备的碘苯浓度相关的锂电池的Li循环效率。
图4举例说明了如实施例9-11制备的锂电池的与充电/放电循环次数相关的放电容量。
图5举例说明了如实施例12-14制备的锂硫电池的与充电/放电循环次数相关的放电容量。
图6示出了如实施例1-5和16制备的锂电池的Li循环效率。
图7举例说明了如实施例9-12和17制备的锂电池的与充电/放电循环次数相关的放电容量。
图8A是一个如实施例15和18制备的锂电池在1C下进行10次循环充电/放电测试后锂金属表面的SEM图。
图8B是一个如实施例15和18制备的锂电池在1C下对进行10次循环充电/放电测试后锂金属表面的SEM图。
图9A是一个如实施例15和18制备的锂电池的锂金属表面在两周后的SEM图。
图9B是一个如实施例15和18制备的锂电池的锂金属表面在两周后的SEM图。
具体实施方式
本发明涉及一种有机电解溶液,其包括锂盐,包含一种或多种聚甘醇二醚和/或二氧戊环的有机溶剂,和添加剂,例如式(1)代表的卤代苯化合物。
在一个特定的实施方式中,卤代苯化合物能降低锂金属表面的反应性。
在一个具体的实施方式中,6个式(1)代表的卤代苯的取代基(X1到X6)中的3个,可以是氢,并且其余的每一个取代基可以独立为Br、Cl、I、C1-C12氟代烷基、C1-C12氯代烷基、C1-C12碘代烷基、C6-C20氯代芳基、C6-C20氟代芳基、C6-C20碘代芳基、C2-C20氟代杂芳基、C2-C20氯代杂芳基或C2-C20碘代杂芳基。特别的,式(1)代表的卤代苯化合物可包括,但不限于,1-碘苯、1-氯苯、1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、1,2,3-三碘苯、1,2,4-三碘苯、1-碘-2-氯苯、和1-碘-3-氯苯。
参考图1,所述的卤代苯化合物、1-碘苯,加入到有机电解溶液分解成苯基和碘离子(I-)。在充电过程中,苯基附着在固体电解质界面(SEI)的金属锂上。相应地,该卤代苯能降低锂金属表面的反应性,从而提高SEI的稳定性。此外,由于与SEI接触的苯具有高极性,在电解溶液中它很难与硫化物负离子结合,可以使得硫化物负离子稳定的存在于电解溶液中。
在一个具体的实施方式中,式(1)代表的卤代苯化合物的浓度范围是约0.1重量份至1重量份,基于每100重量份的有机溶液。如果卤代苯化合物的含量少于0.1重量份,它很容易从锂金属上释放出来。因此,不能达到对锂金属均衡的吸收。另一方面,如果卤代苯化合物的含量大于1重量份,电解溶液由于其粘度的增大将会成为一个电阻,从而降低锂离子的导电性。
根据本发明的一个实施方式的有机溶液,可包括一种或多种化合物,例如由式(2)代表的聚甘醇二醚物,和/或二氧戊环。
R3(OCH2CH2)mOR4 式2
其中m约是从1至10之间的整数,和R3和R4独立的是取代的或未取代的C1-C20烷基。在另一个实施方式中,有机溶剂还可进一步包含一种或多种化合物,例如碳酸盐、二甲氧基乙烷(DME),二乙氧基乙烷、和/或环丁砜(SUL)。
例如,式(2)的聚甘醇二醚可以是一种化合物,例如二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、三甘醇二甲醚、和三甘醇二乙醚。二氧戊环可包括但不限于1,3-二氧戊环(DOX)、4,5-二乙基-二氧戊环、4,5-二甲基-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、和4-乙基-1,3-二氧戊环。在另一个实施方式中,碳酸盐可以为,例如,碳酸亚乙酯、碳酸亚甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、γ-丁内酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、和碳酸亚乙烯酯。
本发明的有机溶液可包含11.11-900体积份的二氧戊环和约11.11-900体积份的化合物,该化合物可包括环丁砜、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、和碳酸盐,基于每100体积份的聚甘醇二醚。这里所使用的“体积份”代表相对体积,相应地,“重量份”代表相对重量。在一个具体的实施方式中,有机溶剂可包含约为1∶9到9∶1体积比的聚甘醇二醚和二氧戊环。如果比例超出了这个范围,电池的放电能力和充电/放电循环寿命将降低。
根据本发明的一个实施方式,所述有机电解溶液可用于普通锂电池。特别地,一种使用含有式(1)代表的卤代苯化合物的电解溶液的锂电池,其可提高锂金属表面的稳定性。锂电池可以是锂一次电池或者锂二次电池。
在一个特定的实施方式中,任何通常用于锂电池的锂盐都可用于有机电解液中。锂盐可包括,如,高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4),氟磷酸锂(LiPF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)、和三氟甲磺酰胺锂(LiN(CF3SO2)2)。锂盐的浓度约为0.4M至1.5M。如果锂盐的浓度小于约0.4M,离子的导电性会降低。相反,如果锂盐的浓度超过1.5M,锂盐将会分解。
下文将描述一种根据本发明的一个实施方式的锂二次电池的制造方法。首先,用任何本领域技术人员所知的方法来制备阴和阳极。所述阴极可由一种或多种化合物组成,该化合物包括,例如,锂复合氧化物,硫单质,含有被溶解的Li2Sn(1≤n≤12)的阴极电解液,有机硫,和(C2Sx)y(2.5≤x≤20且1≤y≤18)。阳极的实例包括锂金属电极、锂合金电极、由惰性硫锂组成的复合电极和由基于碳或基于石墨的物质组成的电极。锂合金的实例包括锂-铝电极,锂-镁电极,和锂-硅电极。
此后,在阴极和阳极之间的放置隔离物,此后所得结构可缠绕或堆叠而形成电极装置。所形成的电极装置可被密封在电池盒中。随后,将根据本发明的一个实施方式的有机电解溶液注入包含电极组件的电池盒中,从而制备锂二次电池。
根据本发明的一个实施方式的有机电解溶液可用于锂聚合物二次电池,如上述的锂二次电池一样,它可使用聚合物电解液,。如果需要的话,可在阳极和隔离器之间放置保护层来防止锂和电解溶液发生反应。
实施例
为了测量包含本发明的一个实施方式的有机电解溶液的锂电池的充电/放电效率,在实施例1到13中,制备了2016种半金属电池,并且在实施例14到实施例19中制备了全锂硫电池。
具体实施例1:
一种包括阴极、阳极和置于阴极和阳极之间的聚乙烯隔离物(Ashai Co.,Tokyo,Japan)的电极装置。所述阴极和阳极都是锂金属电极。电极装置被封装在电池盒中,和注入根据本发明的一个实施方式的有机电解溶液以制备锂电池。所述有机电解溶液包含1M作为锂盐的Li(SO2CF3),由DGM、DME和DOX按照体积比4∶4∶2的比例混合而成的作为有机溶剂的混合物,和基于100重量份有机溶剂的0.2重量份的1-碘苯。
具体实施例2:
以一种和实施例1同样方式制备的锂电池,除基于100重量份有机溶剂0.2重量份的1-碘苯,和聚偏二氟乙烯代替聚乙烯作为隔离器之外。
具体实施例3和4:
以和实施例1同样的方式制备的锂电池,除基于100重量份有机溶剂的0.5重量份和1重量份的1-碘苯被用于相应的锂电池之外。
具体实施例5-8:
以和实施例1-4中每一个都相同的方式制备的锂电池,除用1-氯苯代替1-碘苯外。
具体实施例9
制备均匀混合的阴极活性浆,通过在氰化甲烷中混和80重量%的硫,5重量%的炭黑(supper-P),和15重量%分子量超过600000丁苯橡胶(SBR)(ZeonChemicals,Tokyo,Japan)配成,然后在200rpm的速度下球磨该混合物6小时。
使用刮片在碳沉积铝(Al)基底上涂敷阴极活性浆。阴极活性浆的涂敷量为2g/cm2,假定硫的容量是840mAh/g。随后,将其在80℃下干燥24小时。得到的阳极由50μm厚的锂金属薄膜组成。
制备一种包括阴极,聚乙烯隔离器,和随后堆叠的阳极电极单元,并将其封装在电池盒中。向其中注入有机电解溶液以得到锂硫电池。
所述有机电解溶液包含1M作为锂盐的Li(SO2CF3),一种由DGM,DME和DOX按照体积比4∶4∶2的比例混合而成的作为有机溶剂的混合物,和基于100重量份有机溶剂0.2重量份的1-碘苯。
具体实施例10和11:
以和实施例9同样的方式制备的锂硫电池,除基于100重量份有机溶剂的0.5重量份和1重量份的1-碘苯被用于所述锂硫电池之外。
具体实施例12-14:
以和实施例9-11每一个都相同的方式制备的锂电池,除用1-氯苯被用来代替1-碘苯之外。
具体实施例15:
一个阴极和一个阳极,每一个都由约50μm厚的锂金属形成,聚偏二氟乙烯薄膜被置于其间作为隔离物。阴极,阳极,和隔离物被封装在袋中,然后将有机电解溶液注入袋中以制备锂电池。该有机电解溶液包含1M作为锂盐的Li(SO2CF3)2,一种由DGM,DME和DOX按照4∶4∶2体积比混合而成的作为有机溶剂的混合物,和基于100重量份有机溶剂的0.2重量份的1-碘苯。
具体实施例16
一种以和实施例1相同方式制备的锂电池,除有机溶剂仅包含体积比为4∶4∶2的DGM,DME,和DOX,而不包含1-碘苯之外。
具体实施例17
一种以和实施例9相同方式制备的锂电池,除有机溶剂仅包含体积比为4∶4∶2的DGM,DME,和DOX,而不包含1-碘苯之外。
具体实施例18
一种以和实施例15相同方式制备的锂电池,除不包含1-碘苯之外。1-碘苯浓度对于Li循环效率的效果通过使用实施例5-8和16制备的锂电池来测量。结果在图3中示出。在图3中,在使用聚偏二氟乙烯作为隔离物的情况下,Li循环效率在1-碘苯约为0.2重量份(基于100重量份的有机溶剂)时达到最大值。
循环次数对于放电容量的效果使用通过实施例9-11和实施例12-14制造的锂硫电池来测量。结果在图4和图5中示出。如在图4和图5中所示,循环特性在锂硫电池包含0.2重量份1-碘苯和0.2重量份1-氯苯(基于每100重量份有机溶剂)时达到最大值。
锂循环效率利用实施例1,5和16中制备的锂电池测量。结果在图6中示出。如图6所示,含有1-碘苯和1-氯苯的锂电池的效率较高。特别地,含有1-碘苯的锂电池的循环特性优于含有1-氯苯的锂电池。
测量通过实施例9,12和17制备的锂电池的放电容量随着循环次数的变化。结果在图7中示出。在图7中,A,B和C分别举例说明了实施例17,实施例12,和实施例9。如图7中所示,实施例9和12的锂硫电池的放电容量高于实施例17的锂硫电池。含有1-碘苯的锂电池比含有1-氯苯的锂电池具有更高的放电容量。
在1C下,对通过实施例15和18制备的锂电池的进行10循环充电/放电测试。这个测试之后,袋状电池分解了,然后用四氢呋喃洗涤锂金属电极。所得电极的使用原位扫描电子显微镜(SEM)在1000x放大倍数下分析。结果在图8A和8B中示出。图8A举例说明了通过实施例18制备的锂电池,图8B阐述通过实施例15制备的锂电池。
参考图8A-8B,含有1-碘苯的锂电池有更均匀的锂金属电极表面。此外,通过实施例15和18制备的袋状电池在放置2周后会分解,然后用四氢呋喃(THF)洗涤锂金属电极。所得锂金属电极使用原地扫描电子显微镜(SEM)在1000x放大倍数下分析。结果在图9A和图9B中示出。图9A和图9B分别与实施例18和实施例15相对应。如图9A和图9B所示,包含1-碘苯的锂电池有更均匀的锂金属电极表面。
一种根据本发明的一个实施方式的有机电解溶液,其包含式(1)的卤代苯化合物。该卤代苯化合物能降低锂金属表面的反应。此外,卤代苯有高的极性,因此锂离子不易和硫化物阴离子结合。相应地,电解质中硫化物的溶解性会增大,从而提高硫的有效性,电池充电/放电效率和电池的寿命。
根据本发明的一个实施方式的有机电解溶液能用于锂硫电池和所有包含锂阳极的电池。
Claims (22)
2.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述的卤代苯化合物的量约为0.1重量份至1重量份,基于100重量份的有机溶剂。
3.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述卤代苯化合物从由1-碘苯、1-氯苯、1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、1,2,3-三碘苯、1,2,4-三碘苯、1-碘-2-氯苯、和1-碘-3-氯苯。
4.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述的聚甘醇二醚是一种或多种从由二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、三甘醇二甲醚和三甘醇二乙醚组成的组中选取的聚甘醇二醚。
5.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述的二氧戊环是一种或多种从由1,3-二氧戊环、4,5-二乙基-二氧戊环、4,5-二甲基-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环和4-乙基-1,3-二氧戊环组成的组中选取的二氧戊环。
6.如权利要求1所述的有机电解溶液,其进一步含有从由基于碳的溶剂、环丁砜、二甲氧基乙烷、和二乙氧基乙烷组成的组中选取的化合物。
7.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述的聚甘醇二醚和二氧戊环以约为1∶9到9∶1的体积比混合。
8.如权利要求1所述的有机电解溶液,其中所述的锂盐的浓度范围为约0.4M到约1.5M。
10.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的卤代苯化合物的量约为0.1重量份至1重量份,基于100重量份的有机溶液。
11.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的卤代苯化合物从由1-碘苯、1-氯苯、1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、1,2,3-三碘苯、1,2,4-三碘苯、1-碘-2-氯苯、和1-碘-3-氯苯组成的组中选取。
12.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的聚甘醇二醚是一种或多种从由二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、三甘醇二甲醚、三甘醇二乙醚组成的组中选取的聚甘醇二醚。
13.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的二氧戊环是一种或多种从由1,3-二氧戊环、4,5-二乙基-二氧戊环、4,5-二甲基-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环和4-乙基-1,3-二氧戊环组成的组中选取的二氧戊环。
14.如权利要求9所述的锂电池,进一步含有从由基于碳的溶剂、环丁砜、二甲氧基乙烷、和二乙氧基乙烷组成的组中选取的化合物。
15.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的聚甘醇二醚和二氧戊环以约为1∶9到9∶1的体积比混合。
16.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的锂盐的浓度范围约为0.4M到1.5M。
17.如权利要求9所述的锂电池,其中所述阴极由一种或多种化合物组成,该化合物从由锂金属复合氧化物、硫单质、其中溶解了Li2Sn(1≤n≤( ))的阴极电解液,有机硫,和(C2Sx)y(2.5≤x≤20且2≤y≤( ))组成的组中选取。
18.如权利要求9所述的锂电池,其中所述的阳极由一种或多种电极组成,该电极选自锂金属电极,锂合金电极、由锂惰性硫化物组成的复合电极、和由基于碳或基于石墨的物质组成的复合电极。
19.一种锂电池,其包含:
阴极;
由锂金属构成的阳极;
位于阴极和阳极之间的隔离物;和
含有锂盐,含有一种或多种从聚甘醇二醚和二氧戊环中选取的化合物有机溶剂,和卤代苯的有机电解溶液,该卤代苯化合物包含:
式1
其中X1至X6的各自独立为氢、Br、Cl、I、C1-C12氟代烷基、C1-C12氯代烷基、C1-C12碘代烷基、C6-C20氯代芳基、C6-C20氟代芳基、C6-C20碘代芳基、C2-C20氟代杂芳基、C2-C20氯代杂芳基和C2-C20碘代杂芳基,并且X1至X6中至少一个不是氢。
20.如权利要求19所述的锂电池,其中所述的卤代苯化合物从由1-碘苯、1-氯苯、1,2-二碘苯、1,3-二碘苯、1,4-二碘苯、1,2,3-三碘苯、1,2,4-三碘苯、1-碘-2-氯苯、和1-碘-3-氯苯组成的组中选取。
21.如权利要求19所述的锂电池,其中所述的卤代苯化合物的量约为0.1重量份至1重量份,基于每100重量份的有机溶剂。
22.如权利要求19所述的锂电池,进一步包含一种或多种从由碳、硫、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、聚甘醇二醚和二氧戊环组成的组中选取的化合物。
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