包含氧化还原梭添加剂的可再充电锂离子电池制造技术

可再充电锂离子电池具有电池容量并且包含具有再充电电位的正极和负极。可再充电锂离子电池还包含载电荷电解质。载电荷电解质包含载电荷介质和锂盐。可再充电锂离子电池还包含具有以下结构的氧化还原梭：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含氧化还原梭添加剂的可再充电锂离子电池相关申请交叉引用本专利申请要求2014年7月18日提交的美国临时专利申请No.62/026,212的优先权和所有权益，通过引用将其公开内容全部结合到本文中。专利
本公开内容一般性地涉及可再充电锂离子电池。更具体而言，本公开内容涉及包含特定氧化还原梭(shuttle)的锂离子电池。背景可再充电锂离子电池可显示出优异的充电-放电循环寿命，很少或者不显示记忆效果，以及高比能和体积能。然而，锂离子电池通常显示出不能循环寿命不劣化而耐受再充电至制造商推荐的电荷电位端点以上的电位。再充电至制造商推荐的电荷电位端点以上的电位通常描述为过充电。过充电通常在迫使电流通过电池且提供的电荷超过电池的电荷储存容量时发生。锂离子电池的过充电可导致电池组件的化学和电化学降解、快速的温度提高，并且还可触发电池中的自加速反应。为对抗这些问题，使用氧化还原梭。氧化还原梭为结合到锂离子电池中用于过充电保护的化合物。一般而言，氧化还原梭可以在轻微高于锂离子电池的正极的工作电位的电位下可逆地电化学氧化。氧化还原梭的使用容许锂离子电池在小于氧化还原梭的氧化还原电位的电压范围内正常操作。如果锂离子电池充电至超过其正常电池容量的水平(即“过充电”)，则电压首先提高至氧化还原梭的氧化还原电位，并激活氧化还原机制，其在唯一的活性组分输送过多电荷通过锂离子电池而进行，同时使损害最小化。该机制的使用抑制过充电。研究和开发确定了关于氧化还原梭的各种选择。然而，确定具有高氧化还原电位和足够使用寿命的梭候选物证明是困难的。许多氧化还原梭倾向于随时间过去而化学降解或者妨碍正常电池操作，由此变得无用。因此，需要改进的机会。专利技术概述本公开内容提供可再充电锂离子电池，其具有电池容量且包含具有再充电电位的正极和负极。可再充电锂离子电池还包含载电荷电解质。载电荷电解质包含载电荷介质和锂盐。除以上外，可再充电锂离子电池还包含具有以下结构的氧化还原梭：在该结构中，X为共价键(使得中心环为5元环)、硫原子(S)，或者与R6键合的氮原子(N-R6)。此外，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10各自独立地为烷基、卤代烷基(例如单-、二-或三-卤代)、全卤代烷基、酰基、酰氧基、乙酰基、卤代乙酰基、烷芳基、烷氧基、乙酰氨基、酰氨基、芳基、芳烷基、烷基羧基、芳基羧基、烷基磺酰基、苯甲酰基、氨基甲酰基、羧基、氰基、甲酰基、卤素基团、卤代乙酰氨基、卤代酰基、卤代烷基磺酰基、卤代芳基、甲基磺酰氧基、硝基、氧基、烷基醚基团、三烷基铵烷基、磷酸根基团、膦酸根基团，或者烷基膦酸根基团，且其中R3和R4中的一个任选为氢原子。专利技术详述本公开内容提供可再充电锂离子电池(下文描述为“电池”)。作为选择，电池可描述为电池组，即可再充电锂离子电池电池组。电池具有电池容量，其在本领域中称为电池在额定电压下可实现的电荷的量。通常，较小的电池具有比相同化学的较大电池更少的电池容量，即使它们可发展相同的开路电压。电池容量通常以单位如安培-小时(A·h)测量。电池的容量通常表述为20小时乘以新电池可以在68℉(20℃)下一致地供应20小时，同时保持每电池的所述端电压的电流的积。本电池的容量不特别受限，并且可由本领域技术人员选择。电池可密封在合适的箱中，例如密封在匹配的圆柱形金属壳中，例如纽扣型电池中、细长圆柱形AAA、AA、C或D电池箱中或者在可置换电池包中。作为选择，电池可密封在Li离子形式如18650形式中，袋装电池中等。电池可用于多种装置中，包括便携式计算机、平板显示器、掌上电脑、移动电话、电动装置(例如个人或家用器具和车辆)、仪器、照明装置(例如手电筒)和加热装置。电池可在低成本大市场电和电子装置如手电筒、无线电设备、CD播放器等中具有特定用途，在此之前，其通常由不可充电电池如碱性电池供以动力。正极：电池包含具有再充电电位的正极。电池可具有单一正极或者多于一个正极。术语“正极”可描述一对电极中的一个，其在典型环境下以及在电池完全充电时会具有它在正常操作下可实现的最高点位。该术语通常还描述所有电池操作条件下的相同物理电极，即使该电极临时(例如由于电池过放电)驱动至或者显示出比另一电极(例如负极)更小的电位。正极不特别受限，并且可以为本领域中的任何已知正极。在各个实施方案中，正极可以为或者包含以下(具有近似再充电电位)FeS2(3.0V，相对于Li/Li+)、LiCoPO4(4.8V，相对于Li/Li+)、LiFePO4(3.6V，相对于Li/Li+)、Li2FeS2(3.0V，相对于Li/Li+)、Li2FeSiO4(2.9V，相对于Li/Li+)、LiMn2O4(4.1V，相对于Li/Li+)、LiMnPO4(4.1V，相对于Li/Li+)、LiNiPO4(5.1V，相对于Li/Li+)、LiV3O8(3.7V，相对于Li/Li+)、LiV6O13(3.0V，相对于Li/Li+)、LiVOPO4(4.15V，相对于Li/Li+)、LiVOPO4F(4.3V，相对于Li/Li+)、Li3V2(PO4)3(4.1V(2Li)或4.6V(3Li)，相对于Li/Li+)、MnO2(3.4V，相对于Li/Li+)、MoS3(2.5V，相对于Li/Li+)、硫(2.4V，相对于Li/Li+)、TiS2(2.5V，相对于Li/Li+)、TiS3(2.5V，相对于Li/Li+)、V2O5(3.6V，相对于Li/Li+)、V6O13(3.0V，相对于Li/Li+)、LiCoO2(4.2V，相对于Li/Li+)、LiNiMnCoO2(4.2V，相对于Li/Li+)、LiNiCoAlO2(4.3V，相对于Li/Li+)及其组合。在一个实施方案中，正极包含LiFePO4、Li2FeSiO4、MnO2、LixMnO2、LiNiMnCoO2和/或LiNiCoAlO2，其中x为0.3-0.4。取决于其结构或组成，一些正极材料可在一些电压下充电，因此如果选择合适的形式和合适的电池操作条件，则可用作正极。为或者包含LiFePO4、Li2FeSiO4、LixMnO2(其中x为约0.3至约0.4，并且例如通过将电解质二氧化锰和LiOH的化学计量混合物加热至约300至约400℃而制备)或者MnO2(例如通过将电解质二氧化锰热处理至约350℃而制备)的电极在与具有约3.5、4、4.5或5V的氧化电位的氧化还原梭一起使用时可提供具有尤其理想的性能特性的电池。正极可包含添加剂，例如炭黑、片状石墨等。正极可以为任何方便的形式，包括箔、板、棒、糊，或者作为通过在导电集电体或其它合适载体上形成正极材料涂层而制备的复合物。在各个实施方案中，正极为或者包含LiFePO4、Li2FeSiO4、MnO2或LixMnO2，其中x为0.3-0.4。在其它实施方案中，正极为或者包含Li[B(C2O4)2]、Li[BF2(C2O4)]、Li[PF2(C2O4)2]、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF6、Li[CF3SO3]、Li[N(CF3SO2)2]、Li[C(CF3SO2)3]、Li[N(SO2C2F5)2]、烷基氟代磷酸锂或其组合。在各个实施方案中，正极选自LiFePO4、LiCo本文档来自技高网...

【技术保护点】
可再充电锂离子电池，其具有电池容量并且包含：A.具有再充电电位的正极；B.负极；C.包含载电荷介质和锂盐的载电荷电解质；和D.具有以下结构的氧化还原梭：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.18 US 62/026,2121.可再充电锂离子电池，其具有电池容量并且包含：A.具有再充电电位的正极；B.负极；C.包含载电荷介质和锂盐的载电荷电解质；和D.具有以下结构的氧化还原梭：其中X为共价键、硫原子(S)，或者N-R6，且其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9和R10各自独立地为烷基、卤代烷基、全卤代烷基、酰基、酰氧基、乙酰基、卤代乙酰基、烷芳基、烷氧基、乙酰氨基、酰氨基、芳基、芳烷基、烷基羧基、芳基羧基、烷基磺酰基、苯甲酰基、氨基甲酰基、羧基、氰基、甲酰基、卤素基团、卤代乙酰氨基、卤代酰基、卤代烷基磺酰基、卤代芳基、甲基磺酰氧基、硝基、氧基、烷基醚基团、三烷基铵烷基、磷酸根基团、膦酸根基团，或者烷基膦酸根基团，且其中R3和R4中的一个任选为氢原子。2.根据权利要求1的可再充电锂离子电池，其中所述氧化还原梭进一步定义为具有以下结构的取代吩噻嗪：其中R1和R2各自独立地为烷基、卤代烷基、全卤代烷基、酰基、酰氧基、乙酰基、卤代乙酰基、烷芳基、烷氧基、乙酰氨基、酰氨基、芳基、芳烷基、烷基羧基、芳基羧基、烷基磺酰基、苯甲酰基、氨基甲酰基、羧基、氰基、甲酰基、卤素基团、卤代乙酰氨基、卤代酰基、卤代烷基磺酰基、卤代芳基、甲基磺酰氧基、硝基、氧基、烷基醚基团、三烷基铵烷基、磷酸根基团、膦酸根基团，或者烷基膦酸根基团；其中R3和R4各自独立地为具有1-12个碳原子的烷基或者具有1-12个碳原子的卤代烷基和/或R3和R4中的一个为氢原子；且其中R5为具有1-12个碳原子的烷基、具有1-12个碳原子的卤代烷基、具有1-12个碳原子的全卤代烷基、具有1-12个碳原子的烷基醚基团，或者具有1-12个碳原子的三烷基铵烷基。3.根据权利要求1或2的可再充电锂离子电池，其中R1和R2各自独立地为具有1-12个碳原子的烷基或者具有1-12个碳原子的卤代烷基。4.根据权利要求1或2的可再充电锂离子电池，其中R1和R2各自独立地为具有1-6个碳原子的烷基。5.根据权利要求1-4中任一项的可再充电锂离子电池，其中R3和R4各自独立地为具有1-12个碳原子的烷基、具有1-12个碳原子的卤代烷基、乙酰基、卤代乙酰基，或者氢原子。6.根据权利要求1-4中任一项的可再充电锂离子电池，其中R3和R4各自独立地为具有1-6个碳原子的烷基。7.根据权利要求1-4中任一项的可再充电锂离子电池，其中R3和R4中的一个为氢原子且R3和R4中的另一个不是氢原子。8.根据权利要求1-7中任一项的可再充电锂离子电池，其中R5为具有1-12个碳原子的烷基、具有1-12个碳原子的烷基醚基团，或者具有1-12个碳原子的三烷基铵烷基。9.根据权利要求1-7中任一项的可再充电锂离子电池，其中R5为具有1-6个碳原...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·F·瓜尔，M·M·格雷戈里，N·R·布尔斯码，R·A·波立克，N·莫蒂默，
申请(专利权)人：密歇根州立大学理事会，
类型：发明
国别省市：美国,US