可充电电池及其电解质配方组成比例

提供一种可充电电池，其具有阳极、阴极和电解质配方的特定组合。该电解质配方包含添加剂系统和盐系统。该添加剂系统包含含磺酰基的第一添加剂、抗析气剂和第二添加剂。该盐系统包含锂盐和钴盐。所公开的电解质配方在较宽的温度范围内降低析气并改善性能。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及一种用于在可充电电池中使用的电解质配方，其以特定比例包含至少一种含磺酰基的第一添加剂、特定盐系统以及抗析气(gassing)添加剂。
技术介绍
可充电电池通过电化学反应产生能量。在传统的可充电电池中，电池被设计成是在室温或接近室温的条件下实现最优性能的。过高或过低的温度都会有损电池的性能和/或寿命。为了解决在极端温度下的性能问题，电池也可以并入加热和/或冷却系统，这就增加了体积、重量、复杂性和成本。在许多情况中，这样会限制电池在极端温度环境下的应用。近来，已设计出一些可充电电池，其电池具有阳极、阴极与电解质组合物的特定组合，从而在高温下维持长的充放电循环寿命并且在低温下也输出电力。例如，在出于所有目的以引用方式并入本文中的WO2013/188594中，Cho公开了一种用于在可充电电池中使用的具有含磺酰基的第一添加剂的电解质配方。如Cho所公开，在电解质中使用含磺酰基的添加剂可以提供一种电池，其在高温下仍保持充放电循环寿命并且在低温下仍输出电力，从而大大减少了对于热力管理系统的需要。具体地，Cho公开了一种含非水性电解质溶液的可充电电池，该非水性电解质溶液包含：锂盐，LiPF6，0.6-2M；有机溶剂混合物，该有机溶剂混合物包含35vol.％的碳酸乙烯酯、5vol.％的碳酸丙烯酯、50vol.％的碳酸甲乙酯及10vol.％的碳酸二乙酯；以及至少一种含磺酰基的添加剂，0.1-5wt.％的亚硫酸乙r>二醇酯和0.2-8wt.％的碳酸亚乙烯酯。Cho所提供的电解质配方与铅酸电池相比在对引擎冷启动时能够提供更大的功率，并能在高温下维持较长的充放电循环寿命。在有机电解质中使用含磺酰基的添加剂和碳酸亚乙烯酯提供了一种稳定的、阻抗较低的可充电锂离子电池。含磺酰基的添加剂通过与阳极反应可以降低阻抗，从而生成稳定的固体电解质界面(SEI)，与不含所述添加剂的电解质相比，该SEI更具有离子导电性。此外，在首次充电期间，碳酸亚乙烯酯可以有效地使碳基阳极钝化，使得SEI的溶解性降低，因此，可以减少磺酰基添加剂的分解。
技术实现思路
然而，本公开专利技术人认为，可以提供在Cho所公开的电解质基础上改进的电解质配方，从而改善在极端温度下的性能并减少析气(gassing)。因此，提供一种电解质配方，包含：含磺酰基的第一添加剂、抗析气剂、第二添加剂以及盐系统。另外，该配方包含碳酸亚乙烯酯和溶剂系统。该电解质配方可以用在各种电池结构中，但是归功于降低析气的特点，应用在囊袋型电池构造(pouchconstruction)上尤其有益。所公开的电解质配方在充放电循环期间可以在较大的温度范围内减少析气现象。另外，在磺酰基添加剂与碳酸亚乙烯酯之间的比例可以经控制而维持一个改善的SEI层并进而维持改善的电池充放电循环效率。如本文所公开，经优化的电解质配方减少/维持阻抗，并为冷启动提供改善的功率，同时在高温充放电循环和/或储存期间也能减少析气。如本文所述，含磺酰基的第一添加剂可以是该电解质配方的0.1-5wt.％。该抗析气剂可以等于或小于该电解质配方的2wt.％，而第二添加剂可以是该电解质配方的0.1-5wt.％。该额外添加剂可以经选择，从而既能减少碳酸亚乙烯酯的负载，且仍能维持良好的SEI生长。该盐系统可以包含与钴盐组合的锂盐，其中该钴盐不会产生路易斯酸式的分解。应理解，上述概述是为了对专利技术概念做一个精简说明，在具体实施方式中还会做详细描述。并非是要列出所要求保护的主题的关键或核心特征，所述主题的范围应由详细描述后列出的权利要求唯一限定。另外，所要求保护的主题不限于解决以上提到或在本文任何部分中提到的任何缺陷的实施方案。附图说明图1所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方的首次容量损失。图2所示为与对照组电解质相比较的在具有NCM阴极和石墨阳极的电池中的所述电解质配方的首次容量损失。图3所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方的阻抗。图4所示为与对照组电解质相比较的在NCM/石墨电池中的电解质配方的阻抗。图5A所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方在23℃的条件下在1秒脉冲电力下的混合脉冲电力性能(hybridpulsepowercapability,HPPC)。图5B所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方在23℃的条件下在10秒脉冲电力下混合脉冲电力性能(HPPC)。图6A所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方在-20℃的条件下在1秒脉冲电力下的混合脉冲电力性能(HPPC)。图6B所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方在-20℃的条件下在10秒脉冲电力下的混合脉冲电力性能(HPPC)。图7所示为与对照组电解质相比较的在LFP/石墨电池中的所述电解质配方在-30℃的条件下在冷启动测试中所提供的功率。图8所示为与对照组电解质相比较的具有所述电解质配方的NCM/石墨电池在-30℃的条件下在冷启动测试中所提供的功率。图9所示为与对照组电解质相比较的具有所述电解质配方的NCM/石墨电池的高温充放电循环寿命测试结果。图10所示为与对照组电解质相比较的具有所述电解质配方的LFP/石墨电池在55℃储存条件下的体积变化。图11所示为结合所述电解质配方使用的示例性囊袋型电池构造。具体实施方式现在将参考上述图示实施方式通过举例来描述本专利技术的各方面。在一个或多个实施方式中可能基本相同的组分、工艺步骤和其他元素会相近列出，并且在描述时尽量避免重复。但是，应注意，相近列出的元素也可以在一定程度上不同。本公开提供一种优化的电解质配方，其包含：含磺酰基的第一添加剂、抗析气剂、用于降低阻抗的第二添加剂以及盐系统。与对照组电解质配方相比，该优化的电解质配方在首次容量损失方面实现了预料不到的改善，如图1和图2所示。另外，与对照组电解质配方相比较，如图3、图4、图5A、图5B、图6A和图6B所示，该优化的电解质配方提供了相似的/或减小的直流电和交流电电阻(DCR、ACR)。该优化的电解质配方进一步展示出如图7和图8所示的改善的冷启动功率，并且如图9所示在较宽的温度范围内展示出在充放电循环上的预料不到的改善。另外，该特定的电解质配方具有减小阻抗并同时减小析气的预料不到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可充电电池，包括：负极，能够进行嵌锂和脱锂；正极，包含锂过渡金属含氧阴离子盐电活性材料；分隔器；非水性电解质溶液，包含：盐系统，所述盐系统包含为0.85M～1.5M的锂盐和为0.05M～0.2M的钴盐，其中所述钴盐不产生路易斯酸式分解产物；添加剂系统，包含：抗析气剂；至少一种由式(1)表示的含磺酰基的第一添加剂：R1—A—R2            (1)其中，R1和R2分别表示可以被芳基或卤原子取代的烷基；可以被烷基或卤原子取代的芳基；或者R1和R2可以连同—A—一起形成环式结构，该环式结构可以含不饱和键，其中，“A”表示选自以下的式子：第二添加剂；碳酸亚乙烯酯；以及至少一种有机溶剂，其中，所述非水性电解质溶液不含γ‑丁内酯。

【技术特征摘要】
2014.11.07 US 14/536,5221.一种可充电电池，包括：
负极，能够进行嵌锂和脱锂；
正极，包含锂过渡金属含氧阴离子盐电活性材料；
分隔器；
非水性电解质溶液，包含：
盐系统，所述盐系统包含为0.85M～1.5M的锂盐和为0.05M～0.2M的钴
盐，其中所述钴盐不产生路易斯酸式分解产物；
添加剂系统，包含：
抗析气剂；
至少一种由式(1)表示的含磺酰基的第一添加剂：
R1—A—R2(1)
其中，R1和R2分别表示可以被芳基或卤原子取代的烷基；可
以被烷基或卤原子取代的芳基；或者
R1和R2可以连同—A—一起形成环式结构，该环式结构可以
含不饱和键，其中，“A”表示选自以下的式子：
第二添加剂；
碳酸亚乙烯酯；以及
至少一种有机溶剂，其中，所述非水性电解质溶液不含γ-丁内酯。
2.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，所述含磺酰基的第一添加剂
占所述电解质配方的0.1wt.％至5wt.％，所述碳酸亚乙烯酯占所述电解质配
方的0.1wt.％至5wt.％。
3.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，所述抗析气剂是1,5,2,4-二氧
杂二噻烷-2,2,3,3-四氧化物(MMDS)、1,3-(1-丙烯基)磺内酯(PrS)或1,3-
丙烷磺内酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，所述抗析气剂低于或等于2
wt.％。
5.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，
所述钴盐选自包括酰亚胺盐、三氟甲磺酸盐或有机硼酸盐的盐类中的一种，
或者
所述钴盐是双(三氟甲烷)磺酰胺锂(LiTFSI)。
6.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，
所述锂盐选自LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、
LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CFSO2)(C4F9SO2)以及LiC(CF3SO2)2中的一种，或者
所述锂盐为1.0M，且其中所述钴盐为0.05M～0.2M。
7.根据权利要求1所述的可充电电池，其中，所述第二添加剂是氟代碳酸
乙烯酯，并且为1wt.％。
8.根据权利要求1所述的可充电电池，...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·J·皮奈尔，C·坎皮恩，A·S·格兹泽，J·J·曹，
申请(专利权)人：A一二三系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US