TW201230445A - Electrolyte for a battery - Google Patents

Description

201230445 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 装ίΓ特及—種可充電雜子電化學魏㈣她及其製造方法。尤 ί埴種躲大_化學電池的電解質以及—種用於將該電解 真充至可充電鐘離子電池中使用的電化學電池的方法。 【先前技術】 0鐘離子可充電電池’也稱為崎子二次電池絲離子電池，由於其大 ϋΐΓίΓ無記憶效應’ _子可充電電池具有優勢並已廣泛用 娜子可充電電池已廣㈣在多種朗程式並在移動 電活、移動電腦及其他電子裝置中尤為有用。 目肢軒可充電的伽限於具村限容量驗小電池。 增^炎，γ面上僅有少數大型鐘電池，儘管存在對大型及高容量鐘電池的 儲存如，在電動車上的朗或者在綠色麟電廠用作能量緩衝或 日益增發電場或風力發電場。大量電能的儲存成為未來能量解決 大销=*大型雜池的製造不可能以允許A独電池的符合成本效益的 ϊίϊίίΓ式。主要由於電解質至電池的填充耗時而導致當前生產過 效益ΓΪ 前生產顧不允許Α_電化學電池或電池組的成本 的沐!^02/091497描述了非離子型表面活性劑作為鐘離子電池中電解質 迷電㈣等添㈣主判於提高該電池的阻抗性能。該巾請未涉及加 迷電解質至電化學電池的填充。 烷基mG/rGi2涉及離子㈣電料中離子遷移。該申請建議使用 移!" 乍為離子電解質液體中的陰離子表面活性劑以提高陽離子遷 本發明的目的是改進電化學電池的製造。 【發明内容】 S- 201230445 雷化itrf—種驗魏學電池的電㈣錢-種包含闕解質的 電池。該電解質包含至少一含鐘離 導 、 少-潤導電鹽至）一溶劑以及至 1,謂化學電池包含至少—陽極、至少—陰極以及至少 斋，該至少-分離器排列在該至少—陽極和 2 可被填充在該至少-陽絲該至少—難之間。之門該電解質 -陽ί發=^—種祕製造瓣電池的方法。該嫩含提供至少 至少—分離器，該至少—分離11在該至少一It極 口-陰極之間’以及在該陽極和陰極之間 解質包含至少-潤_。 W 電 在該電解質中使㈣_允許電化學電池更快的填充^在該 使用潤濕織現了大㈣化學電池的，即使陽姉陰極之間具有 的距離。將電化學電池中電解質填充在至少—陽極和至少—陰極之間 的時間大大降低。在該電解質中潤濕劑的使用允許至少—陽極和至少, 極之間電解質柄分佈’侧是無氣泡或其他不均自性。 π 大型電化學電池可具有至少大約1G()mm或更大的—維。例如，一陽 極、一陰極以及該障極和陰極之間的一分離器的至少其中之一具有至少大 約100mm或更大的一維，如大約0 01m2或更大的表面面積。發明可使 更大型的電化學電池的製造成為可能。 該電化學電池的至少-陽極和至少一陰極以大約lmm或更小的距離 排列’特別是0.5mm或更小。至少一陽極及/或至少一陰極可具有大約1〇〇 βηι或更小的厚度，如50μιη或更小，進而實現具有高容量的電化學電池 減少的空間及材料製造。 含鐘離子的導電Μ鹽可為或可包含至少一 LiPF6、LiC104、LiBRj、

LiAsF6和 LiPF3(CF2CF3)、雙[1,2-草酸(2-)·〇,〇’]硼酸鋰（LiBOB)電解質、 三（五氟乙基）三氟構酸鋰 Li[(C2F5)3PF3]M LiFAP、LiF4C204、LiFOP、

LiPF4(C204)、LiF4OP、LiCF3S03、LiC4F9S03、Li(CF3S02)2N、Li(C2F5S02)2N'

LiSCN和LiSbF6、三氟甲續酸經（“Li-Triflat”）、鐘亞胺（鍾-雙（全氟 炫基礙基）-亞胺）以及甲基化鋰（-三（全氟烷基硬基）甲基化鋰）、 ]^1111出卩3)2、高電壓1^01、1^01和1^1^1(2-全氟烷基-4,5-二氰基咪唑 的鋰鹽）、LiA104、LiAlCU、LiCl 和 Lil 等。 S·. 4 201230445 至少一潤濕劑可為或可包含一含氟聚合物。含氟聚合物的可能實例包 5市售全氟烧基5^乳乙稀域如Zonyl SFO、Zonyl SFN und Zonyl SF300 (E.I.DuPont)W-3-[(lH，lH,2H，2Hi^^L^AtZonylFSA©，

DuPont)。本公開使用的其他潤濕劑包含半氟丙烯酸聚合物EGC_17〇〇、含 氟甲基丙烯酸酯、長鏈全氟丙烯酸酯、四氟乙烯、六氟丙烯、具有全氟聚 醚的矽烷偶聯劑（PFPE-S)、含（全氟烷基）乙基甲基丙烯酸的丙烯酸聚 合物、甲基丙烯酸丁酯-CO-全氟院基丙浠酸酯、半氟氟碳二嵌段共聚物聚 (甲基丙烯酸丁酯-CO-全氟烷基）、n_全氟壬烷、全氟環氧丙烷、聚四氟乙 烯、聚（四氟乙烯-co_六氟丙烯）、全氟丁基（pFB)、全氟甲基、全氟乙 基或其結合。 至少一潤濕劑可為或包含一離子表面活性劑，特別是陰離子表面活性 劑，如含氟表面活性劑。本發明可使用含氟表面活性劑的市售實例，但不 限於由杜邦（DuPont)製造的產品名稱Zonyl SFK、z〇nyl SF_62或由 公司製造的產品名稱FLURADFC170、FC123或L-18699A的含氟表面活 性劑。利用非離子型表面活性劑具有良好的潤濕，拉平優勢，並且在各種 有機溶劑非離子型表面活性劑中流動電解質控制大大減小了表面張力並 在極低濃度下依據表面張力減小而提高了電極潤濕。在一兩相體系中，例 如，液-液或固-液，一表面活性劑傾向位於該等兩相的介面處，在該等兩 個不同材料之間引入一定程度連續性。 可用作含氟表面活性劑的其他市售產品包含3M公司製造的產品名稱

Novec F-C4300、3M FC-4430、3M FC-4432 或 3M FC-4434。 在大約500(^pm (百萬分之）或更小的最終濃度時，至少一潤濕劑可 提供在該電解質中，特別是在大約5〇〇ppm或更小的濃度以抑制氣泡形 成。在大約5ppm或更大的最終濃度時，至少一潤濕劑可提供在該電解質 中，特別是在大約50ppm或更大。已發現該等濃度提供關於電解質至預裴 配電池的快速且均勻填充的良好結果。 該溶劑可為非水溶劑。該非水溶劑可包含離子液體的任意結合。該非 水溶劑包含環碳酸酯、環酯、直鏈碳酸酯、醚或其結合的至少其中之二。 該非水溶劑可為有機溶劑，包含至少一選自由碳酸丙烯酯（PC)、碳酸乙 烯醋（EC)、碳醆二乙醋（DEC)、碳酸二曱g|(DMC)、碳酸二丙酿（Dpc)、 201230445 一甲基亞礙、乙猜、一甲氧基乙院、二乙氧基乙烧、四氫υ夫喃、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP)、碳酸曱乙酯（EMC)、碳酸甲丙酯（mpc)、氟代碳酸 乙烯酯（FEC)、r-丁内酯（GBL)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙 酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸戊酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙 酯、丙酸丁酯、1，2·碳酸丁烯酯、2,3-碳酸丁烯酯、1,2-碳酸戊烯酯和2,3-碳酸戊浠酯或其結合所組成的組群的溶劑。 【實施方式】 第la圖、第lb圖顯示了本發明使用之電化學電池2的實例。電化學 電池2包含兩個電極、陽極1〇和陰極2〇。陽極1〇和陰極2〇由分離器3〇 分開。陽極10和陰極20可由電化學電池領域内已知的任何材料製成。例 如’陽極10包含一集電極和一碳或石墨塗層或鋰鈦氧化物或任意其他鋰 金屬合金’但是該陽極並不限於該等材料。該集電極可由銅、鋁、不銹鋼、 鈦或本領域已知的任意其他材料製成。陰極2〇可包含一陰極_集電極，該 陰極_集電極由!S、确鋼、鈦或本領域已知的任意其他體製成，並且陰 極2〇可包含-金屬氧化物層如氧她或者如贿氧化物或其他金屬氧化 物的本領域已知的其他材料，但不限於該等材料。 極10和陰極2〇具有電接頭12、22，用於電接觸各個電極。 、刀離^ 30可為本領域已知的魄分離胃。航，本發明並不限於上 =料並且本發明可使用已知的任意電極或分騎材料，如聚烯煙或聚醋 封来4 〇 一電化學電池2a可為大型電化學電池。如果電極10、20的至少其中之 :^料電蝴齡雜3G具註少大約IGem或更大度A及/或 f ^ ’電化學電池可稱為大型電化學電池。例如，電極10、20的長度A 坪拓二L可^為1GCm至大約3Gem。長度A可不同於寬度B，從而允 並可二所需形狀。電極的形狀可適應電化學電池或電池的應用 陽搞實例中’陽極1G和陰極2G之_距離d小於lmm。例如， 小。 玉集電極和陰極20的陰極集電極之間的距離大於400μιη或更 201230445 陽極10和陰極20的每個電極1〇、2〇可由大約小於5〇μιη厚的箔 製成。特別地’該等箔可具有大約l〇pm至2〇μηι的厚度。例如，銘嚐^ 用於陰極20以及銅箔可用於陽極1〇。 白可 電化學電池2a被電解質4填充，該電解質4與陽極1〇和陰極2〇 觸。 第2a圖顯示了電化學電池2b，該電化學電池2b與電化學電池2a、 區別在於分離器30和陽極10排列在陰極2〇的兩邊。電解質4被添加在 每個陽極10和陰極20之間。這使得電池丨中電化學電池％堆積更緊凑 並且需要更少的陰極材料。為了清晰起見’圖式中省略了電接頭12、22。 一複數個如第la圖和第lb圖所示的電化學電池2a或複數個如第匕 所不的電化學2b可堆積在彼此的頂部以形成可充魏池丨。第2b圖 ^數個電化學電池2b如何堆積在外殼、包裝容器或袋5中。堆積的電化 學電池2的數量可根據可充電電池i的應用而變化。在所示的實例中，為 了說明目的’顯示出三個堆積的電化學電池⑪形成可充電電池2，但雷 、孔的數量可更大。例如，電池2可包含最多500個電化學 ，la圖和第lb圖所示的電化學電池2a可簡單地被堆積在彼此的頂 σ，並且利用分離器材料可將電極1〇、2〇彼此分離。 然而，其他堆積方法也是可能的並適用於本發明。第2a圖至第4圖 構分電池結構的電化學電池2b。該電池也可以單電池結構、雙極結 至隹心如捲繞或Z_堆積電池。活性主體或活性材料可鮮面或雙面塗布 分:器ί料堆積，’如陽極和陰極的絲堆積，每個具有 ° ’斗置於其間。藉此，％極和陰極的表面均可使用。 構内了電解#填充至電化學電池办之前，在二分電池結 裒奋益或衣5中堆積的複數個電化學電池2b。 電池^3圖顯示了電解質4如何被添加至電化學電池Μ、％中。電化學 面6之外办被裝入衣5 +，其中袋5除了使用藥劑劑量器8如針等的頂 池結構，的°第3圖顯示了三對電化學電池处的二分電 的電解質4'Ιί 省略了接頭12、22 °藥劑劑量器8使預定量 質添加至電化學電池2a、2b。可在真空條件下執行將電解質4添 201230445 加至袋5内的電化學電池2a、2b，例如在大約10至500 mbar abs (絕對壓 力）的壓力。電解質4可僅從一側注入，大大地簡化了注入過程。 重要的是，在陽極10和陰極20之間具有電解質4的非常均勻分佈， 特別地，在陽極10和陰極20之間不存在氣泡或其他錯誤，因為這將導致 不期望的缺陷及更小的電池容量。鋰電池中使用的電解質4可包含一非水 /谷劑，例如環碳酸酯、環酯、直鏈碳酸酯、謎或其結合。可使用其他有機 溶劑。 鋰離子電池1的電解質4還包含導電鋰鹽，例如Lia〇4、LipF6、UBF4、

LiAsF6和 LiPF3(CF2CF3)、雙[1,2-草酸〇〇,〇，]蝴酸鐘（LiBOB)電解質、 LiF4C204、LiFOP、LiPF4(C204)、LiF4OP、LiCF3S03、LiC4F9S03、 Li(CF3S02)2N、Li(C2F5S〇2)2N、LiSCN 和 LiSbF6、LiA104、LiAlCU、LiCl 和Lil或其結合。也可使用其他已知的鋰鹽。非水電解質的鹽濃度可在大 約〇.5mol/L至2.0mol/L的範圍内。 電解質4包含一潤濕劑。該潤濕劑用於均勻潤濕陽極1〇、陰極2〇和 刀離器30的表面並用於得到電化學電池2a ' 2b内電解質4的均勻分佈。 該潤濕劑還用於電池的快速填充。 該潤濕劑還實現了自-側的單向填充。單—填充步驟足夠潤渴分離器 和電極的全部表面，即絲具有至少大約1〇cm或更大的長度A及/或寬度 B的大型電化學電池内。 通吊在大約50 C至60 C的溫度下回火最新型電池超過12小時。已發 現如果應用潤濕劑，回火時間可降至小於6小時。 該潤濕劑可為或可包含一含氟聚合物，特別是-含氟表面活性劑。含 氟聚合物的可能龍包含市售全魏絲氧乙_如2却挪，办邮 SFNUndZ〇nyl SF300 (E丄DuPont) ’鍾列阳氏扭肌氟⑹硫代卜丙 酸，Zonyl FSA©，DuPont)。 本發日柯制含絲φ活輔料售實例，但秘於由杜邦（Dup⑽） 製造的產品名稱Zonyl SFK、Zonyl SF-62或由3M公司製造的產品名稱 FLURAD FC 170、FC123或L-18699A的含氟表面活性劑。可用作含氟表 面活性劑的其他市售產品包含3M公司製造的產品名稱N〇vee F_C43〇〇、 3M FC-4430、3M FC-4432 或 3M FC-4434。 201230445 本發明使用的其他潤濕劑包含半氟丙烯酸聚合物EGC-1700、含氟甲 基丙烯酸酯、長鏈全氟丙烯酸酯、四氟乙烯、六氟丙烯、具有全氟聚_的 石夕烧偶聯劑（PFPE-S)、含（全氟烧基）乙基甲基丙烯酸的丙稀酸聚合物、 甲基丙烯酸丁酯-co-全氟烷基丙烯酸酯、半氟氟碳二嵌段共聚物聚（甲基 丙烯酸丁酯-co-全氟烷基）、η-全氟壬烷、全氟環氧丙烷、聚四氟乙烯、聚 (四氟乙烯-co-六氟丙烯）、全氟丁基（PFB)'全氟甲基、全氟乙基或其 結合。 可單獨或結合使用一個或多個上述潤濕劑。可使用非離子型或陰離子 含氟表面活性劑的結合，或者單獨使用非離子型含氟表面活性劑。 在大約5ppm (百萬分之）至大約5〇〇〇ppm的濃度時，可使用該等潤 濕劑，含氟聚合物或含氟表面活性劑。已發現該等濃度提供關於電解質至 預裝配電池的快速且均勻填充的良好結果。已發現大於〇.〇5%加電解質的 該潤濕劑的濃度增加了氣泡形成，其降低了潤濕性。 在電解質中該潤濕劑的使用導致在電化學電池2a、2b中電解質4的 均衡及均勻分佈。該潤濕劑的使用大大降低了填充時間並允許在適於大量 生產之可接受的時間範圍内製造大型鋰離子電池。 第4圖顯示了-密封的電池組丨’其中在完成將電解f4填充至電池 組1之後關閉袋5的開口6。 . 對於熟悉本領域的技術人員顯而易見的是存在不用袋5安置電化學電 池2a、2b的其他可能。例如，可使用已知塑膠材料安置電池。 對於熟悉本領域的技術人員顯而易見的是可結合複數個電池組丨，用 以增加電池的容量及/或電壓。 本公開的電解質可用於任何類型的電化學電池，並且熟悉本領域 術人員可改變電解質的性能以適應不同的實際顧，如適 池的大小和材料。 【圖式簡單說明】 以下描述給出本公開實施例的實例，並以單純例證及非限制方式給出 子目關附圖。 第la圖和第比圖顯示了電化學電池的實例； 201230445 第2a圖顯示了電化學電池的第二實例以及第2b圖顯示了如何堆積電 化學電池以形成電池； 第3圖顯示了填充包含複數個具有電解質的堆積電化學電池的電池； 以及 第4圖顯示了該填充的電池。 【主要元件符號說明】 1 可充電電池/電池組 2a 電化學電池 2b 電化學電池 4 電解質 5 袋 6 頂面/開口 8 藥劑劑量器 10 陽極 12 電接頭 20 陰極 22 電接頭 30 分離器 A 長度 B 寬度 d 距離

Claims (1)

1. 201230445 七、申請專利範圍： 1.一種用於電化學電池的電解質，該電解質包含： 至少一導電鹽，該導電鹽包含鋰離子； 至少一溶劑；以及 至少一潤濕劑。 2人ϋ申請專讎圍第1項所述的電解質，其中，該至少一潤濕劑包含- 各乱聚合物〇 3. 依據巾請專利顏第i項絲2項所述的電解質，其中，該至少 劑包含一非離子型表面活性劑。 ^属 4. 依據中4專鄕㈣1項至第3項中任—摘賴電解質，其中 少一潤濕劑包含一含氟表面活性劑。 5·= 據申晴專概圍第1項至第4項巾任_項所述的電解質，其中，該 解貝中的該至少一潤濕劑的濃度大約為5〇〇〇ppm或更小。 6.依據申請專利細第〗項至第5項巾任__項所述的電解質其中 解質中的該至少-潤濕劑的濃度大約為5ppm或更大。 ^ 7·依據申請專纖圍第丨項至第6項中任__項所述的 劑為一非水溶劑。 貝，、〒该溶 8.依據申請專利範圍第！項至第7項中任—項所述的電解質，其中，該冷 少—環碳麵、、直鏈碳麟、喊其結合及/或離子液體^ 9·-種電化學電池，包含根據中請專利範圍第丨項至第8項中任 的電解質。 S- 11 201230445 ι〇·依，申請專利範圍第9項所述的電化學電池，其中，該電化學電池之陽 極的極集電極和陰極的陰極_集電極以大約或更小的距離排列。 11.依據申請專利範圍第9項或第10項所述的電化學電池，其中，陽極或 陰極的至少其中之—具有大約讀m2或更大的表面面積。 12_依據申請專利範圍第9項至第_中任一項所述的電化學電池，其中， 陽極或陰極的至少其中之一具有大約綱㈣或更小的厚度。' 13. 依據^青專利範圍第9項至第12項中任一項所述的電化學電池，其中， 至;>、&極、一陰極和一分離器被相互層壓。 14. -，於製造電化學電池的方法，該方法包含以下步驟： 提供至少-陽極、至少_陰極以及至少_分離器，該至少—分離 该至少一陽極和該至少一陰極之間；以及 ° 在該陽極和該陰極之間填充__電解f，其中該電解f包含至少 劑。 ，"、 11_依據申。f專利範㈣Μ項所述之用於製造電化學電池的方法，其中， 在該陽極和雜極之間填賴電解質的步驟包含自該至少-陽極、該至少 一陰極以及該至少—分離⑽-娜人該電解質。 I6·依據申請相朗第項所述之祕製造電化學電池的方法，進—步 至該至少一陰極以及該至少一分離器置於具有-敞開 、其中^主入该電解質包含通過該袋的敞開側注入該電解質。 =·依射明專利範圍第14項至第16項中任_項所述之餘製造電化學電 /的方法，其中，在真空下執行該陽極和陰極之間的電解質填充。 12 1 201230445 18. 依據申請專利範圍第14項至第17項中任一項所述之用於製造電化學電 池的方法，其中，提供該至少一陽極、該至少一陰極以及該至少一分離器 包含將該至少一陽極、該至少一陰極以及該至少一分離器相互層壓。 19. 依據申請專利範圍第14項至第18項中任一項所述之用於製造電化學電 池的方法，其中，該電解質為根據申請專利範圍第1項至第8項中任一項 所述的電解質。 ,ς. 13