基于二氟磷酸锂的新型电池系统技术方案

一种用于锂离子电池的非水电解质：包含锂盐、第一非水溶剂、以及包含二氟磷酸锂的第一有效添加剂和氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第二有效添加剂的添加剂混合物。一种锂离子电池包括负电极、正电极以及非水电解质，该正电极包含具有微米级晶粒的NMC，该非水电解质具有溶解在第一非水溶剂中的锂离子、和具有氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第一有效添加剂以及1,3,2‑二氧杂硫杂环戊烷‑2,2‑二氧化物、另一含硫添加剂或二氟磷酸锂的第二有效添加剂的添加剂混合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于二氟磷酸锂的新型电池系统
本公开涉及可充电电池系统，并且更具体地涉及这样的系统的化学组成，包括有效的电解质添加剂和电极，以用于改进可充电锂离子电池系统的性能。
技术介绍
可充电电池是用于电动车辆和电网存储的能量存储系统的整体组件(例如，用于停电期间的备用功率，作为微电网的一部分，等等)。基于锂离子的电池是可充电电池的一种常见类型。电解质添加剂已经显示出是起作用的，并且增加了基于锂离子的电池的寿命和性能。例如，在J.C.Burns等人的JournaloftheElectrochemicalSociety，160，A1451(2013)中，与没有或仅具有一种添加剂的电解质系统相比，示出了五种专有的、未公开的电解质添加剂以增加循环寿命。其他研究集中在如U.S.2017/0025706中所描述的包含三种或四种添加剂的电解质系统的性能提升上。但是，研究人员通常不理解不同添加剂之间的相互作用，该相互作用允许它们与电解质以及特定的正负电极协同工作。因此，某些系统的添加剂共混物的成分通常基于反复试验，并且不能够被事先预测。现有的研究还没有标识出这样的双添加剂电解质系统，该双添加剂电解质系统可以被组合到锂离子电池系统中以产生具有用于电网或汽车应用的足够性能的稳定系统。如US2017/0025706中讨论的，所研究的双添加剂系统(例如，2％的VC+1％的甲磺酸烯丙酯和2％的PES+1％的TTSPi)的通常比三添加剂电解质系统和四添加剂电解质系统表现更差。(例如，参见U.S.2017/0025706的表1和2)。US20170025706公开了第三种化合物，通常是三(三甲基甲硅烷基)磷酸酯(tris(-trimethly-silyl)-phosphate，TTSP)或三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯(tris(-trimethyl-silyl)-phosphite，TTSPi)，其浓度必须在0.25-3wt％之间以产生稳定的锂离子电池系统。(例如，参见US2017/0025706的第72段。)但是，由于添加剂的可能是昂贵的、且按制造规模被包含在锂离子电池中是困难的，因此需要更简单、但有效的电池系统，包括具有较少添加剂的那些电池系统。
技术实现思路
本公开涵盖具有较少有效的电解质添加剂的新型的电池系统，其可以在不同的能量存储应用中使用，例如，在车辆和电网存储中使用。更具体地，本公开内容包括双添加剂电解质系统，其增加了锂离子电池的性能和寿命，同时降低了依赖于更多添加剂的其他系统的成本。本公开还公开了有效的正电极和负电极，其与所公开的双添加剂电解质系统一起工作以提供进一步的系统增强。所公开的有效的双添加剂电解质系统包括：1)碳酸亚乙烯酯(VC)与1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷-2,2-二氧化物(DTD，也被称为硫酸乙烯酯)、或另一含硫添加剂(诸如，亚甲基甲烷二磺酸盐、硫酸三亚甲基酯、3-羟基丙磺酸γ-内酯、亚硫酸乙二醇酯或其他含硫添加剂)组合；2)氟代碳酸乙烯酯(FEC)与DTD或另一含硫添加剂组合；以及3)丙烯基-1,3-磺酸内酯(PES)与DTD或另一含硫添加剂组合。此外，由于VC和FEC提供了类似的改进(并且据信起类似的作用)，因此VC和FEC的混合物可以被视为单一有效的电解质。也就是说，另一公开的有效的双添加剂电解质系统包括VC和FEC的混合物与DTD或另一含硫添加剂组合。当作为更大的电池系统(其包括电解质、电解质溶剂、正电极和负电极)的一部分使用时，这些双有效添加剂电解质系统可以产生用于能量存储应用(包括车辆和电网应用)的期望性质。更具体地，锂镍锰钴氧化物(NMC)的正电极、石墨负电极、被溶解在有机或非水溶剂中的锂盐和两种添加剂用以形成针对不同应用具有期望性质的电池系统，溶剂可以包括乙酸甲酯(MA)。电解质溶剂可以是以下溶剂或其组合：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、乙酸甲酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、另一碳酸酯溶剂(环状或非环状)、另一种有机溶剂和/或其他非水溶剂。溶剂的浓度大于添加剂的浓度，通常大于以重量计6％。溶剂可以与所公开的双添加剂对(诸如，VC与DTD、FEC与DTD、VC和FEC的混合物与DTD、或另一种组合)组合以形成针对不同应用具有期望性质的电池系统。正电极可以涂覆有诸如氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)或另一种涂层等材料。此外，为了节省成本，负电极可以由天然石墨形成，然而取决于定价结构，在某些情况下，人造石墨比天然石墨便宜。本文中的公开内容由实验数据支持，该实验数据示出了双添加剂电解质系统和所选择的电极的共生特质。示例性电池系统包括两种添加剂(例如，FEC、VC或PES和DTD或另一硫基添加剂)、石墨负电极(天然存在的石墨或人造合成石墨)、NMC正电极、锂电解质(例如，由诸如具有化学成分LiPF6的六氟磷酸锂的锂盐形成)、以及有机或非水溶剂。锂离子电池可以包括负电极、正电极、以及非水电解质，正电极包括具有微米级晶粒的NMC，非水电解质包含被溶解在第一非水溶剂中的锂离子、以及添加剂混合物，该添加剂混合物具有氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第一有效添加剂，并且具有1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷-2,2-二氧化物、另一含硫添加剂或二氟磷酸锂的第二有效添加剂。附图说明图1是包含电池存储系统的车辆的示意图。图2是示例性电池存储系统的示意图。图3是锂离子电池单元系统的示意图。图4A-J示出了在具有不同电解质成分的电池系统的超高精度充电实验期间收集的典型实验数据。图4A示出了针对如下电解质系统的经时间标准化的每小时库伦反效率(CIE/h)与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％VC和2％VC+1％DTD。图4B示出了如下电解质系统的库仑效率(CE)与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％VC和2％VC+1％DTD。图4C示出了如下电解质系统的充电终点容量与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％VC和2％VC+1％DTD。图4D示出了如下电解质系统的放电容量与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％VC和2％VC+1％DTD。图4E示出了如下电解质系统的开路电压的改变与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％VC和2％VC+1％DTD。图4F示出了如下电解质系统的经时间标准化的每小时库仑反效率(CIE/h)与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％FEC和2％FEC+1％DTD。图4G示出了如下电解质系统的库仑效率(CE)与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％FEC和2％FEC+1％DTD。图4H示出了如下电解质系统的充电终点容量与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％FEC和2％FEC+1％DTD。图4I示出了如下电解质系统的放电容量与循环次数的关系，这些电解质系统分别包括：1％DTD、2％FEC和2％FEC+1％DTD。...

【技术保护点】
1.一种用于锂离子电池的非水电解质，包括锂盐、第一非水溶剂和添加剂混合物，所述添加剂混合物包括二氟磷酸锂的第一有效添加剂和氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第二有效添加剂。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170731 US 15/663,976;20170929 US 62/565,9851.一种用于锂离子电池的非水电解质，包括锂盐、第一非水溶剂和添加剂混合物，所述添加剂混合物包括二氟磷酸锂的第一有效添加剂和氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第二有效添加剂。


2.根据权利要求1所述的非水电解质，其中所述第一有效添加剂的浓度在以重量计从0.25％至％的范围内。


3.根据权利要求2所述的非水电解质，其中所述第二有效添加剂的浓度在以重量计从0.25％至6％的范围内。


4.根据权利要求3所述的非水电解质，其中所述非水电解质不包括第三有效添加剂。


5.根据权利要求4所述的非水电解质，其中所述第一非水溶剂是碳酸盐溶剂。


6.根据权利要求5所述的非水电解质，还包括乙酸甲酯的第二非水溶剂。


7.根据权利要求6所述的非水电解质，其中所述第二有效添加剂是碳酸亚乙烯酯。


8.根据权利要求3所述的非水电解质，还包括乙酸甲酯的第二非水溶剂。


9.一种锂离子电池，包括：
负电极；
正电极；以及
非水电解质，所述非水电解质包括被溶解在第一非水溶剂中的锂离子、以及添加剂混合物，所述添加剂混合物包括：
二氟磷酸锂的第一有效添加剂；以及
氟代碳酸乙烯酯或碳酸亚乙烯酯的第二有效添加剂。


10.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，马晓伟，S·L·格莱齐尔，李晶，J·R·德恩，
申请(专利权)人：特斯拉汽车加拿大无限责任公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA