电解质与电解质的使用方法技术

在一种用于增强硅基负电极性能的方法的一个实例中，硅基负极在一种包括锂盐(溶解于二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物)的电解质中预锂化。DME和FEC存在的体积比的范围为10比1至1比10。预锂化在负极的暴露表面上形成稳定的固体电解质界面层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求提交于2014年2月18目的美国临时专利申请序列号61/941,068的权益，其以引用的方式全文并入本文。
技术介绍
二次或可充电锂硫电池或锂离子电池经常用在许多固定和便携式设备中，如在消费电子、汽车和航空航天工业中遇到的一些设备。锂类电池的普及有诸多原因，包括相对高的能量密度、相比于其它类型可再充电电池通常不会出现任何记忆效应、相对低的内部电阻，以及不使用时低的自放电率。锂电池在其寿命周期内可经受反复功率循环的能力，使其成为有吸引力而可靠的电源。
技术实现思路
在一种用于增强硅基负电极性能的方法的一个实例中，硅基负极在一种包括锂盐(溶解于二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物)的电解质中预锂化。DME和FEC存在的体积比的范围为10比1至1比10。预锂化在硅基负极的暴露表面上形成稳定的固体电解质界面层。附图说明通过参考下面的具体实施方式和附图，本专利技术实例的特征和优点将变得显而易见，其中类似的参考标号对应于类似的，但也许不尽相同的组件。为简便起见，具有先前描述功能的附图标记或特征可能也可能不结合其出
现的其它附图进行描述。图1是示出了充电和放电状态的硅硫电池某一实例的示意性透视图，其中电池包括根据本专利技术一个实例的电解质；图2是示出了放电状态的锂离子电池某一实例的示意性透视图，其中电池包括本文所公开的预锂化负极的一个实例；图3的曲线图示出了容量(mAh/gs，左侧Y轴标为“C”)相对于循环数(X轴标为“#”)和库仑效率(％，右侧Y轴标为“％”)相对于循环数(X轴标为“#”)的关系，用于比较带有本文所公开示例性预锂化负极的一种示例性硅硫电池，和带有对比性预锂化负极的一种对比例硅硫电池；以及图4的曲线图示出了基于硫的比容量(mAh/g，左侧Y轴标为“Y1”)相对于循环数(X轴标为“#”)和库仑效率(％，右侧Y轴标为“Y2”)相对于循环数(X轴标为“#”)的关系，用于比较带有电解质(含有本文所公开的锂盐添加剂)实例的一种示例性硅硫电池，和带有未修饰电解质(即，无锂盐添加剂)的一种对比例硅硫电池。具体实施方式锂硫和锂离子电池通常通过在负极(有时称为阳极)和正极(有时称为阴极)之间可逆地传递锂离子而运行。正负极位于多孔聚合物隔板的相对侧，该隔板浸渍在适用于传导锂离子的电解质溶液中。电极中的每一个还与各自的集流器相关联，其由允许电流穿过正负极之间的可中断外部电路连接。锂硫电池或锂离子电池使用的负极活性物质的实例包括硅或硅合金。当锂硫电池包括硅或硅合金作为活性物质时，电池可称为硅硫电池或硅(锂)硫电池。硅或硅合金可以是用于锂硫或锂离子电池负极的理想材料，至少部分地因为其高理论容量(例如，4200mAh/g)。此外，固体电解质中间相(SEI)层可在硅基负极的暴露表面上形成，并且该层可以按所需影响电池性能。通常，SEI层形成于：i)电解质组分暴露于低电压电位时分解，和ii)在
硅基负极的暴露表面上沉积的电解液分解产物。理想的是，SEI层在受控的环境中形成，从而获得具有所需厚度的电绝缘层。理论上说，SEI覆盖着负极表面并阻止电子从负极扩散出去，否则会不可避免地通过电化学还原消耗电解质。此外，该SEI层可以赋予电解质动力学稳定性以抵抗后续循环内进一步减少。SEI还通常是离子导电的，因此允许锂离子穿过该层移动。总体而言，SEI应有助于电池的良好循环。虽然硅和硅合金具有较高理论容量的优点，但使用硅或硅合金也可能导致电池有较差的寿命周期。例如，硅和硅合金可能在电池的充电/放电过程中表现出较大的体积膨胀和收缩。极端的体积膨胀和收缩可导致负极材料断裂、烧爆，或以其它方式机械降低，这会导致电接触丧失和寿命循环差。此外，硅或硅合金的极端体积膨胀和收缩也可能损坏不稳定的SEI层并暴露下层硅/硅合金的一部分到另外的电解质中。这可以引起电解质在露出部分进一步的分解，从而导致另外SEI层的形成。SEI层的连续断裂和形成可能不可逆地将锂困在SEI层中，可能消耗电解质，和/或不希望地增厚SEI层。本文所公开的电解质实例可被用于预锂化硅基负极并在其表面上形成稳定的SEI层。“稳定的”是指当所形成的SEI层在硅硫电池的放电过程中暴露于硫基正极产生的迁移、扩散或穿梭多硫化锂中间体(LiSx，其中x为2＜x＜8)。本文所公开的电解质另一实例可以在硅硫电池的循环期间使用。此电解质包括添加剂，可以在电池运行期间进一步有助于SEI层的稳定性。如上所述，本文所公开的一种电解质是预锂化电解质，用于预锂化硅基负极(图1中标号12)的一个实例并在硅基负极12的暴露表面上形成SEI层(图1和图2中标号19)。本文所公开的预锂化电解质溶液可以与硅基负极12一起被容纳在预锂化盒中。如将在下面进一步详细描述的，预锂化增加了活性Li+到硅基负极12中，并使其适用于锂基电池。现在将说明预锂化电解质和用于形成和预锂化硅基负极12的过程。图1将在整个讨论中被引用。预锂化电解质包含锂盐。举例说明，锂盐可以是LiPF6、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiPF4(C2O4)(LiFOP)、LiNO3、LiBF4、LiClO4、LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)、LiB(C2O4)2(LiBOB)、LiBF2(C2O4)(LiODFB)、LiN(FSO2)2(LiFSI)、LiPF3(C2Fs)3(LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF3(CF3)3等。在一个实例中，预锂化电解质中的锂盐是1MLiPF6。锂盐溶解于二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物。溶剂的体积与体积比(DME比FEC)为10比1至1比10。在一个实例中，DME与FEC的体积比为3比1。已发现，在预锂化过程中使用FEC作为共溶剂在硅基负极12的暴露表面(一个或多个)上形成了所需的SEI层19。该FEC是活性的，容易在预锂化过程中分解以形成SEI层19。在预锂化硅基负极12之前，电极12被购买或制造。在一个实例中，电极12的制造包括将硅或硅合金、导电碳和粘合剂，以一定比例分散到有机溶剂或水中。该分散体可以混合以得到均匀的溶液。然后将溶液可以刮刀涂覆(或沉积)在铜或其它合适的负侧集流器上。硅基负极12包括可以充分地经受锂合金化并嵌入铜或另一种合适集流器的任何硅基锂基质材料(即活性物质)，作为负端子12a起作用。硅活性物质的实例包括结晶硅、无定形硅、氧化硅(SiOx)、硅合金(例如，硅锡)等。硅活性物质可以是纳米尺寸到微米尺寸范围的粉末、颗粒等形式。硅基负极12也可以包括前面提到的聚合物粘合剂材料，以便在结构上将硅活性物质保持在一起。示例性粘合剂包括聚偏二氟乙烯(PVdF)、乙丙二烯单体(EPDM)橡胶、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯-丁二烯橡胶羧甲基纤维素(SBR-CMC)、聚丙烯酸(PAA)、交联聚丙烯酸-聚乙烯亚胺、聚(丙烯酰胺-共-二烯丙基二甲基氯化铵)、聚环氧乙烷(PEO)、聚酰亚胺(PI)。其它合适的粘合剂包括聚乙烯醇(PVA)、藻酸钠或其它水溶性粘合剂。另外，硅基负极12也可以包括前面提到的导电性碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强硅基负极性能的方法，所述方法包括：在一种包括锂盐的电解质中预锂化硅基负极，从而在所述硅基负极的暴露表面上形成稳定的固体电解质界面层，所述锂盐溶解于二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物中，二甲氧基乙烷和氟代碳酸亚乙酯存在的体积对体积比范围为10比1至1比10。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.18 US 61/9410681.一种用于增强硅基负极性能的方法，所述方法包括：在一种包括锂盐的电解质中预锂化硅基负极，从而在所述硅基负极的暴露表面上形成稳定的固体电解质界面层，所述锂盐溶解于二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物中，二甲氧基乙烷和氟代碳酸亚乙酯存在的体积对体积比范围为10比1至1比10。2.如权利要求1所限定的方法，其中所述硅基负极包括选自硅或硅合金中的一种的活性物质。3.如权利要求1所限定的方法，其中所述预锂化通过以下步骤完成：将所述硅基负极并入一个半电池；将所述硅基负极浸泡在所述电解质中；以及使所述硅基负极暴露于电压电位中足够长的时间以形成所述稳定的固体电解质界面层。4.如权利要求1所限定的方法，其中所述预锂化通过以下步骤完成：将所述硅基负极并入一个带锂基反电极的半电池上；将所述硅基负极浸泡在所述电解质中；以及令所述半电池短路。5.如权利要求1所限定的方法，其中锂盐选自包括下列的组：LiPF6、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiPF4(C2O4)(LiFOP)、LiNO3、LiBF4、LiClO4、LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)、LiB(C2O4)2(LiBOB)、LiBF2(C2O4)(LiODFB)、LiN(FSO2)2(LiFSI)、LiPF3(C2F5)3(LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF3(CF3)3以及它们的组合。6.一种用于预锂化硅基负极的电解质，所述电解质包括：锂盐；以及二甲氧基乙烷(DME)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)的溶剂混合物，二
\t甲氧基乙烷和氟代碳酸亚乙酯存在的体积对体积比范围为10比1至1比10。7.如权利要求6所限定的电解质，其中锂盐选自包括下列的组：LiPF6、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiPF4(C2O4)(LiFOP)、L...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·杨，Q·肖，M·蔡，M·姜，X·肖，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US