抑制或最小化锂离子电池中金属污染物和枝晶形成的电解质体系制造技术

提供了循环锂离子的电化学电池单元以及用于抑制或最小化枝晶形成的方法。电化学电池单元包括正极、负极以及夹置在其间的隔膜。正极和负极以及隔膜可以各自包括电解质体系，该电解质体系包括一种或多种锂盐、一种或多种溶剂和一种或多种络合剂。一种或多种络合剂结合到电化学电池单元内存在的金属污染物，由此形成金属离子络合物，该金属离子络合物至少通过增大任何枝晶形成的水平区(例如，降低高度)来最小化或抑制负极上枝晶突起的形成。

Electrolyte System for Suppressing or Minimizing Metal Pollutants and Dendrite Formation in Lithium Ion Batteries

An electrochemical cell unit for recycling lithium ions and a method for suppressing or minimizing dendrite formation are provided. The electrochemical cell unit includes a positive electrode, a negative electrode and a diaphragm clamped therein. Positive and negative electrodes and diaphragms may each comprise an electrolyte system comprising one or more lithium salts, one or more solvents and one or more complexing agents. One or more complexing agents bind to the metal contaminants existing in the electrochemical cell unit to form metal ion complexes, which minimize or inhibit the formation of dendrite protrusions on the negative electrode at least by increasing the horizontal region of any dendrite formation (e.g., reducing the height).

【技术实现步骤摘要】
抑制或最小化锂离子电池中金属污染物和枝晶形成的电解质体系引言本部分提供了与本专利技术有关的但不一定是现有技术的背景信息。高能量密度电化学电池单元(如锂离子电池)可用于各种消费品和车辆(如混动动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV))。典型的锂离子电池包括第一电极(例如阴极)、第二电极(例如阳极)、电解质材料和隔膜。为了提高总输出，锂离子电池单元的堆叠体通常进行电连接。传统锂离子电池通过在负极与正极之间可逆地传送锂离子来工作。在负极与正极之间设置隔膜和电解质。电解质适合传导锂离子，并且可以是固体或液体形式。锂离子在电池充电过程中从正极(阴极)移向负极(阳极)，而在电池放电时在相反的方向上移动。阳极材料和阴极材料与电解质的接触可在电极之间形成电势。当在电极之间的外部电路中产生电子电流时，电势通过电池单元内的电化学反应来维持。堆叠体内的负极和正极中的每一个都连接到集流体(通常为金属，例如用于阳极的铜和用于阴极的铝)。在电池使用期间，与两个电极相关联的集流体通过外部电路连接，该外部电路允许由电子产生的电流在电极之间通过，进而补偿锂离子的传输。许多不同的材料可以用来形成锂离子电池的部件。作为非限制性示例，用于锂电池的阴极材料通常包括可嵌入锂离子的电活性材料，例如锂-过渡金属氧化物或尖晶石类型的混合氧化物，例如包括尖晶石LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、LiMn1.5Ni0.5O4、LiNi(1-x-y)CoxMyO2(其中0<x<1，y<1，并且M可以是Al、Mn等)或磷酸铁锂。电解质通常含有一种或多种锂盐，这些锂盐可以在非水性溶剂中溶解和电离。负极通常包括锂插入材料或合金主体材料。例如，用于形成阳极的典型电活性材料包括锂-石墨嵌入化合物、锂-硅嵌入化合物、锂-锡嵌入化合物或锂合金。锂离子电池的各部件可以包括金属污染物。在某些情况下，负极与电解质之间的电势差可能使得金属污染物在负极表面上形成金属枝晶。金属枝晶可以形成可能穿透隔膜并引起内部短路的突起。因此，期望研发出在高能量锂离子电池中使用的材料，所述材料减少了金属枝晶形成，并且以类似方式抑制其效果或使其效果最小化。
技术实现思路
本部分提供了对本专利技术的一般性概述，但不是本专利技术的全部范围或其所有特征的全方位公开。本公开涉及一种抑制或最小化电化学电池单元内的金属污染物和枝晶形成并改善其性能的电解质体系。在各个方面，本公开提供一种循环锂离子的示例性电化学电池单元。电化学电池单元可以包括正极、隔膜、负极和电解质体系。正极可以包括正锂基电活性材料，而负极可以包括负锂基电活性材料。电解质体系可以包括一种或多种锂盐、一种或多种溶剂和一种或多种络合剂。一种或多种络合剂可以结合至电化学电池单元内的金属污染物，以形成金属离子络合物，该金属离子络合物化合物最小化或抑制负极上枝晶突起的形成。一种或多种络合剂可以选自由以下项组成的组：1,10-菲咯啉(C12H8N2)、柠檬酸三锂(Li3C6H5O7)、柠檬酸(C6H8O7)、草酸二锂(Li2C2O4)、氰化物(CN-)、乙二胺三乙酸三锂、2,2'-联吡啶(C10H8N2)、丁二酮肟(C4H8N2O2)、卟啉、内消旋四苯基卟啉(C44H30N4)、喹啉酸的锂(Li)盐(C7H5NO4)、酞菁(C32H18N8)、四氮杂卟啉、四苯并卟啉及其组合。在一个变型中，电解质体系可以包括大于或等于约0.1重量％至小于或等于约5重量％的一种或多种络合剂。在一个变型中，金属离子络合物可以不溶于电解质体系的一种或多种溶剂中。在一个变型中，小于或等于约0.1克的金属离子络合物溶解在大于或等于约100克的一种或多种溶剂中。在一个变型中，一种或多种锂盐可以选自由以下项组成的组：六氟磷酸锂(LiPF6)；高氯酸锂(LiClO4)；四氯铝酸锂(LiAlCl4)；碘化锂(LiI)；溴化锂(LiBr)；硫氰酸锂(LiSCN)；四氟硼酸锂(LiBF4)；四苯硼酸锂(LiB(C6H5)4)；六氟砷酸锂(LiAsF6)；三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)；氟磺酰亚胺锂LiN(FSO2)2(LIFSI)；双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)(LiTFSI)；双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(LiBOB)；二氟草酸硼酸锂LiBF2(C2O4)(LiODFB)；LiPF4(C2O4)(LiFOP)；LiNO3；及其组合。在一个变型中，一种或多种溶剂可以选自由以下项组成的组：环状碳酸酯(例如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC))；非环状(例如直链)碳酸酯(例如，碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))；脂肪族羧酸酯(例如，甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)；γ-内酯(例如，γ-丁内酯、γ-戊内酯等)；链结构醚(例如，1,2-二甲氧基乙烷、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)；环醚(例如，四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)；及其组合。在一个变型中，一种或多种锂盐可以包括六氟磷酸锂(LiPF6)，并且一种或多种溶剂可以包括体积比为约1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)。在一个变型中，金属离子络合物在负极、正极和隔膜中的一个或多个中形成。在一个变型中，与一种或多种络合剂结合的金属污染物可以包括选自由以下项组成的组中的一种或多种金属元素：铁(Fe)、铬(Cr)、镍(Ni)、锰(Mn)、钼(Mo)、钴(Co)及其组合。在一个变型中，金属离子络合物在负极的一个或多个暴露表面区域上形成沉积材料，并且沉积材料具有基本上没有枝晶突起的暴露表面。在其他变型中，负极的一个或多个暴露表面区域上的沉积材料的高度小于或等于约20微米。在一个变型中，金属离子络合物在负极的一个或多个暴露表面区域上形成层，并且沉积材料具有基本上没有枝晶突起的表面。在其他方面，本公开提供了一种抑制或最小化枝晶形成以改善电化学电池单元中的循环性能和容量保持率的方法，其中该电化学电池单元包括循环锂离子的电极。该方法可以包括将电解质体系引入到包括电极的电化学电池单元中。电解质体系可以包括一种或多种络合剂、一种或多种锂盐和一种或多种溶剂。一种或多种络合剂可以选自由以下项组成的组：1,10-菲咯啉(C12H8N2)、柠檬酸三锂(Li3C6H5O7)、柠檬酸(C6H8O7)、草酸二锂(Li2C2O4)、氰化物(CN-)、乙二胺三乙酸三锂、2,2'-联吡啶(C10H8N2)、丁二酮肟(C4H8N2O2)、卟啉、内消旋四苯基卟啉(C44H30N4)、喹啉酸的锂(Li)盐(C7H5NO4)、酞菁(C32H18N8)、四氮杂卟啉、四苯并卟啉及其组合。一种或多种络合剂可以结合至电化学电池单元内的金属污染物，以形成金属离子络合物，该金属离子络合物化合物最小化或抑制负极上枝晶突起的形成。在一个变型中，电解质体系可以包括大于或等于约0.1重量％至小于或等于约5重量％的一种或多种络合剂。在一个变型中，金属离子络合物可以不溶于电解质体系的一种或多种溶剂中。在一个变型中，小于或等于约0.1克的金属离子络合物溶解在大于或等于约100克的一种或多种溶剂中。在一个变型中，一种或多种锂盐可以选自由以下项组成的组：六氟磷酸锂(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种循环锂离子的具有改进容量保持率的电化学电池单元，包括：包括正锂基电活性材料的正极；隔膜；包括负电活性材料的负极；以及电解质体系，所述电解质体系包括一种或多种锂盐、一种或多种溶剂和一种或多种络合剂，所述一种或多种络合剂结合至所述电化学电池单元内的金属污染物，以形成金属离子络合物，其中所述一种或多种络合剂选自由以下项组成的组：1,10‑菲咯啉(C12H8N2)、柠檬酸三锂(Li3C6H5O7)、柠檬酸(C6H8O7)、草酸二锂(Li2C2O4)、氰化物(CN‑)、乙二胺三乙酸三锂、2,2'‑联吡啶(C10H8N2)、丁二酮肟(C4H8N2O2)、卟啉、内消旋四苯基卟啉(C44H30N4)、喹啉酸的锂(Li)盐(C7H5NO4)、酞菁(C32H18N8)、四氮杂卟啉、四苯并卟啉及其组合，并且所述金属离子络合物最小化或抑制所述负极上枝晶突起的形成。

【技术特征摘要】
2017.07.07 US 15/6444441.一种循环锂离子的具有改进容量保持率的电化学电池单元，包括：包括正锂基电活性材料的正极；隔膜；包括负电活性材料的负极；以及电解质体系，所述电解质体系包括一种或多种锂盐、一种或多种溶剂和一种或多种络合剂，所述一种或多种络合剂结合至所述电化学电池单元内的金属污染物，以形成金属离子络合物，其中所述一种或多种络合剂选自由以下项组成的组：1,10-菲咯啉(C12H8N2)、柠檬酸三锂(Li3C6H5O7)、柠檬酸(C6H8O7)、草酸二锂(Li2C2O4)、氰化物(CN-)、乙二胺三乙酸三锂、2,2'-联吡啶(C10H8N2)、丁二酮肟(C4H8N2O2)、卟啉、内消旋四苯基卟啉(C44H30N4)、喹啉酸的锂(Li)盐(C7H5NO4)、酞菁(C32H18N8)、四氮杂卟啉、四苯并卟啉及其组合，并且所述金属离子络合物最小化或抑制所述负极上枝晶突起的形成。2.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述电解质体系包括大于或等于约0.1重量％至小于或等于约5重量％的所述一种或多种络合剂。3.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述金属离子络合物不溶于所述电解质体系的所述一种或多种溶剂中，使得小于或等于约0.01克的所述金属离子络合物溶解在大于或等于约100克的所述一种或多种溶剂中。4.根据权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述一种或多种锂盐选自由以下项组成的组：六氟磷酸锂(LiPF6)；高氯酸锂(LiClO4)；四氯铝酸锂(LiAlCl4)；碘化锂(LiI)；溴化锂(LiBr)；硫氰酸锂(LiSCN)；四氟硼酸锂(LiBF4)；四苯硼酸锂(LiB(C6H5)4)；六氟砷酸锂(LiAsF6)；三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)；氟磺酰亚胺锂LiN(FSO2)2(LIFSI)；双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)(LiTFSI)；双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(LiBOB)；二氟草酸硼酸锂LiBF2(C2O4)(LiODFB)；LiPF4(C2O4)(LiFOP)；LiNO3；及其组合；并且所述一种或多种溶剂选自由以下项组成的组：环状碳酸酯(例如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC))；非环...

【专利技术属性】
技术研发人员：吁志强，吴强，刘海晶，潘虹谷，I·C·哈拉莱，
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