用于电化学装置的稳定循环的局部超浓缩电解质制造方法及图纸

技术编号:22334515 阅读:116 留言:0更新日期:2019-10-19 13:07
本发明专利技术公开了用于电化学装置的稳定操作的局部超浓缩电解质(LSE)的实施方案,所述电化学装置诸如可充电电池、超级电容器和传感器。还公开了包括LSE的电化学装置,诸如可充电电池、超级电容器和传感器。所述LSE包括活性盐、所述活性盐在其中可溶的溶剂以及所述活性盐在其中不溶或难溶的稀释剂。在某些实施方案中,诸如当所述溶剂和稀释剂不混溶时,所述LSE进一步包括桥溶剂。

Local super concentrated electrolyte for stable circulation in electrochemical device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学装置的稳定循环的局部超浓缩电解质相关申请的交叉引用本申请要求2017年3月2日提交的美国临时申请No.62/466,267的在先申请日的权益,所述申请以全文引用的方式并入本文中。感谢政府支持本专利技术是在由美国能源部授予的合约DE-AC05-76RL01830下,由政府支持进行的。政府拥有本专利技术中的某些权利。
本专利技术涉及用于电化学装置的稳定循环的局部超浓缩电解质,所述电解质包括活性盐、所述活性盐在其中可溶的溶剂以及所述活性盐在其中不溶或难溶的稀释剂。
技术介绍
锂金属被认为是用于实现电池的高能量密度的最终阳极材料,因为它具有最高的比容量(3860mAhg-1,2061mAhcm-3)和最低的电化学势(-3.04V,相对于标准氢电极而言)。然而,关键的挑战包括锂枝晶生长,而且循环期间有限的库仑效率(CE)抑制了锂电池在可充电电池中的实际应用(Xu等人,EnergyEnviron.Sci.2014,7:513-537)。近来,重新开始研究以改善Li金属阳极的稳定性,旨在实现Li金属电池的实际应用。代表性的方法包括使用电解质添加剂、超浓缩电解质、聚合物或固态电解质以及选择性/导向性Li沉积。近来,超浓缩电解质由于其各种独特的功能用于Li金属电池而受到了广泛的研究关注。Qian等人的一项具体的研究报道,使用由二甲氧基乙烷(DME)中单一的双(氟磺酰基)酰亚胺(LiFSI)盐组成的超浓缩电解质可使得Li金属阳极以高CE(最高99.1%)高速循环,而不形成枝晶(Qian等人,Nat.Commun.2015,6:6362)。然而,超浓缩电解质通常粘度高,和/或隔膜和阴极的润湿不良。在制造过程期间向大型锂离子电池(诸如棱柱形或圆柱形电池)中注入高粘度电解质实际上是不可行的。此外,高浓度锂盐的高成本也阻碍了超浓缩电解质的实际使用。
技术实现思路
本专利技术公开局部超浓缩电解质(LSE)和包括LSE的电化学系统的实施方案。LSE包括活性盐、所述活性盐在其中可溶的溶剂以及稀释剂,其中活性盐在所述稀释剂中的溶解度比活性盐在所述溶剂中的溶解度小至少10倍。在一些实施方案中,所述溶剂包含二甲氧基乙烷(DME)、碳酸二甲酯(DMC)、1,3-二氧戊环(DOL)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、二甲亚砜(DMSO)、乙基乙烯基砜(EVS)、四亚甲基砜(TMS)、乙基甲基砜(EMS)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、4-乙烯基-1,3-二氧戊环-2-酮(VEC)、二甲基砜、乙基甲基砜、丁酸甲酯、丙酸乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、γ-丁内酯、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、碳酸亚甲基亚乙酯(MEC)、4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、烯丙基醚、三烯丙基胺、三烯丙基氰尿酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯、水或其任意组合。在任何或所有以上实施方案中,(i)活性盐在电解质中的摩尔浓度可在0.5M至2M的范围内;(ii)活性盐在溶剂中的摩尔浓度可为每升溶剂大于3摩尔活性盐;或(iii)同时具备(i)和(ii)。在一些实施方案中,活性盐在电解质中的摩尔浓度比活性盐在不存在稀释剂的溶剂中的摩尔浓度小至少20%。在任何或所有以上实施方案中,(i)活性盐与溶剂的摩尔比可在0.33至1.5的范围内;(ii)溶剂与稀释剂的摩尔比可在0.2至5的范围内;或(iii)同时具备(i)和(ii)。在任何或所有以上实施方案中,至少90%的溶剂的分子可与活性盐的阳离子缔合。在任何或所有以上实施方案中,少于10%的稀释剂的分子可与活性盐的阳离子缔合。在任何或所有以上实施方案中,活性盐可包括锂盐或锂盐混合物、钠盐或钠盐混合物,或镁盐或镁盐混合物。在一些实施方案中,活性盐包含双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)酰亚胺钠(NaFSI)、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺钠(NaTFSI)、双(草酸根)硼酸锂(LiBOB)、双(草酸根)硼酸钠(NaBOB)、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、LiCF3SO3、LiClO4、二氟草酸硼酸锂阴离子(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiOH、LiNO3、LiSO4或其任意组合。在某些以上实施方案中,活性盐为(i)LiFSI、LiTFSI或其组合或(ii)NaFSI、NaTFSI或其组合;溶剂为DMC、DME、DOL、EMC或其组合;且活性盐在电解质中的摩尔浓度在0.75M至1.5M的范围内。在任何或所有以上实施方案中,稀释剂可包含氟代烷基醚(也称作氢氟醚(HFE))。在一些实施方案中,稀释剂包含1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2,3-四氟丙基醚(TTE)、双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2,-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚(TFTFE)、甲氧基九氟丁烷(MOFB)、乙氧基九氟丁烷(EOFB)或其任意组合。在任何或所有以上实施方案中,溶剂和稀释剂是可混溶的。在一些实施方案中,LSE包括活性盐;溶剂,包括碳酸酯溶剂、醚溶剂、磷酸酯溶剂、二甲亚砜、水或其组合,其中活性盐在溶剂中可溶;稀释剂,其中稀释剂与溶剂不混溶,且其中活性盐在稀释剂中的溶解度比活性盐在溶剂中的溶解度小至少10倍;以及与所述溶剂具有不同组成且与所述稀释剂具有不同组成的桥溶剂,其中所述桥溶剂与所述溶剂以及与所述稀释剂可混溶。示例的桥溶剂包括乙腈、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯、二甲亚砜、1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二甘醇二甲醚(双(2-甲氧基乙基)醚)、三甘醇二甲醚(三乙二醇二甲醚)、四甘醇二甲醚(四乙二醇二甲醚)或其任意组合。在溶剂和稀释剂不混溶的某些实施方案中,溶剂包含水。在所述实施方案中,活性盐可为(i)LiFSI、LiTFSI、LiBOB、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、LiCF3SO3、LiClO4、LiDFOB、LiI、LiBr、LiCl、LiOH、LiNO3、LiSO4或其任意组合,或(ii)NaFSI、NaTFSI、NaBOB或其组合。如本文公开的电池的一些实施方案包括(i)电解质,所述电解质包含活性盐,溶剂,包括碳酸酯溶剂、醚溶剂、磷酸酯溶剂、二甲亚砜、水或其组合,其中活性盐在溶剂中可溶,以及稀释剂,其中活性盐在稀释剂中的溶解度比活性盐在溶剂中的溶解度小至少10倍,且其中活性盐在电解质中的浓度在0.75M至2M范围内;(ii)阳极;以及(iii)阴极,其中所述电池具有≥95%的库仑效率。示例的溶剂包括DME、DOL、DMC、EMC、DEC、DMSO、EVS、TMS、EMS、EC、VC、FEC、VEC、二甲基砜、乙基甲基砜、丁酸甲酯、丙酸乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、γ-丁内酯、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、MEC、4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、烯丙基醚、三烯丙基胺、三烯丙基氰尿酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯、水或其任意组合。在电池的一个实施方案中,(i)阳极为锂金属;(ii)活性盐包含LiFSI、LiTFSI、LiBOB、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、Li本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.电解质,其包含:活性盐;溶剂,其包含二甲氧基乙烷(DME)、碳酸二甲酯(DMC)、1,3‑二氧戊环(DOL)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、二甲亚砜(DMSO)、乙基乙烯基砜(EVS)、四亚甲基砜(TMS)、乙基甲基砜(EMS)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、4‑乙烯基‑1,3‑二氧戊环‑2‑酮(VEC)、二甲基砜、乙基甲基砜、丁酸甲酯、丙酸乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、γ‑丁内酯、4‑亚甲基‑1,3‑二氧戊环‑2‑酮、碳酸亚甲基亚乙酯(MEC)、4,5‑二亚甲基‑1,3‑二氧戊环‑2‑酮、烯丙基醚、三烯丙基胺、三烯丙基氰尿酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯、水或其任意组合,其中所述活性盐在所述溶剂中可溶;以及稀释剂,其中所述活性盐在所述稀释剂中的溶解度比所述活性盐在所述溶剂中的溶解度小至少10倍。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.02 US 62/466,2671.电解质,其包含:活性盐;溶剂,其包含二甲氧基乙烷(DME)、碳酸二甲酯(DMC)、1,3-二氧戊环(DOL)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、二甲亚砜(DMSO)、乙基乙烯基砜(EVS)、四亚甲基砜(TMS)、乙基甲基砜(EMS)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、4-乙烯基-1,3-二氧戊环-2-酮(VEC)、二甲基砜、乙基甲基砜、丁酸甲酯、丙酸乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、γ-丁内酯、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、碳酸亚甲基亚乙酯(MEC)、4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、烯丙基醚、三烯丙基胺、三烯丙基氰尿酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯、水或其任意组合,其中所述活性盐在所述溶剂中可溶;以及稀释剂,其中所述活性盐在所述稀释剂中的溶解度比所述活性盐在所述溶剂中的溶解度小至少10倍。2.根据权利要求1所述的电解质,其中:(i)所述活性盐在所述电解质中的摩尔浓度在0.5M至2M的范围内;(ii)所述活性盐在所述溶剂中的摩尔浓度为每升所述溶剂大于3摩尔活性盐;或(iii)同时具备(i)和(ii)。3.根据权利要求2所述的电解质,其中所述活性盐在所述电解质中的摩尔浓度比所述活性盐在不存在所述稀释剂的所述溶剂中的摩尔浓度小至少20%。4.根据权利要求1所述的电解质,其中:(i)所述活性盐与所述溶剂的摩尔比在0.33至1.5的范围内;(ii)所述溶剂与所述稀释剂的摩尔比在0.2至5的范围内;或(iii)同时具备(i)和(ii)。5.根据权利要求1所述的电解质,其中至少90%的所述溶剂的分子与所述活性盐的阳离子缔合。6.根据权利要求1所述的电解质,其中少于10%的所述稀释剂的分子与所述活性盐的阳离子缔合。7.根据权利要求1所述的电解质,其中所述活性盐包含锂盐或锂盐混合物、钠盐或钠盐混合物,或镁盐或镁盐混合物。8.根据权利要求1所述的电解质,其中所述活性盐包含双(氟磺酰基)酰亚胺锂(LiFSI)、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)、双(氟磺酰基)酰亚胺钠(NaFSI)、双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺钠(NaTFSI)、双(草酸根)硼酸锂(LiBOB)、双(草酸根)硼酸钠(NaBOB)、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、LiCF3SO3、LiClO4、二氟草酸硼酸锂阴离子(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiOH、LiNO3、LiSO4或其任意组合。9.根据权利要求1所述的电解质,其中:所述活性盐为(i)LiFSI、LiTFSI或其组合,或(ii)NaFSI、NaTFSI或其组合;所述溶剂为DMC、DME、DOL、EMC或其组合;且所述活性盐在所述电解质中的摩尔浓度在0.75M至1.5M的范围内。10.根据权利要求1-11中任一项所述的电解质,其中所述稀释剂包含氟代烷基醚。11.根据权利要求10所述的电解质,其中所述稀释剂包含1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2,3-四氟丙基醚(TTE)、双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)、1,1,2,2,-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚(TFTFE)、甲氧基九氟丁烷(MOFB)、乙氧基九氟丁烷(EOFB)或其任意组合。12.根据权利要求1所述的电解质,其中所述溶剂与所述稀释剂是混溶的。13.电解质,其包含:活性盐;溶剂,其包含碳酸酯溶剂、醚溶剂、磷酸酯溶剂、二甲亚砜、水或其组合,其中所述活性盐在所述溶剂中可溶;稀释剂,其中所述稀释剂与所述溶剂不混溶,且其中所述活性盐在所述稀释剂中的溶解度比所述活性盐在所述溶剂中的溶解度小至少10倍;以及与所述溶剂具有不同组成且与所述稀释剂具有不同组成的桥溶剂,其中所述桥溶剂与所述溶剂以及与所述稀释剂是混溶的。14.根据权利要求13所述的电解质,其中所述桥溶剂包含乙腈、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯、二甲亚砜、1,3-二氧戊环、二甲氧基乙烷、二甘醇二甲醚(双(2-甲氧基乙基)醚)、三甘醇二甲醚(三乙二醇二甲醚)、四甘醇二甲醚(四乙二醇二甲醚)或其任意组合。15.根据权利要求13或权利要求14所述的电解质,其中所述溶剂包含水。16.根据权利要求15所述的电解质,其中所述活性盐为(i)LiFSI、LiTFSI、LiBOB、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、LiCF3SO3、LiClO4、LiDFOB、LiI、LiBr、LiCl、LiOH、LiNO3、LiSO4或其任意组合,或(ii)NaFSI、NaTFSI、NaBOB或其组合。17.电池,其包含:电解质,其包含活性盐,溶剂,其包含碳酸酯溶剂、醚溶剂、磷酸酯溶剂、二甲亚砜、水或其组合,其中所述活性盐在所述溶剂中可溶,和稀释剂,其中所述活性盐在所述稀释剂中的溶解度比所述活性盐在所述溶剂中的溶解度小至少10倍,且其中所述活性盐在所述电解质中的浓度在0.75M至2M范围内;阳极;以及阴极,其中所述电池具有≥95%的库仑效率。18.根据权利要求17所述的电池,其中所述溶剂包含DME、DOL、DMC、EMC、DEC、DMSO、EVS、TMS、EMS、EC、VC、FEC、VEC、二甲基砜、乙基甲基砜、丁酸甲酯、丙酸乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、γ-丁内酯、4-亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、MEC、4,5-二亚甲基-1,3-二氧戊环-2-酮、烯丙基醚、三烯丙基胺、三烯丙基氰尿酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯、水或其任意组合。19.根据权利要求17所述的电池,其中:所述阳极为锂金属;所述活性盐包含LiFSI、LiTFSI、LiBOB、LiPF6、LiAsF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、L...

【专利技术属性】
技术研发人员:张继光郑建明陈书如
申请(专利权)人:巴特尔纪念研究院
类型:发明
国别省市:美国,US

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