含有基于较长侧链乙二醇醚的溶剂和氟化稀释剂的局部化高盐浓度电解质和其用途制造技术

技术编号:26038387 阅读:0 留言:0更新日期:2020-10-23 21:17
局部化高盐浓度电解质,每个含有盐、作为溶剂的乙二醇醚以及氟化稀释剂。在某些实施方式中,乙二醇醚具有化学式R

【技术实现步骤摘要】
含有基于较长侧链乙二醇醚的溶剂和氟化稀释剂的局部化高盐浓度电解质和其用途相关申请信息本申请要求于2019年4月11日提交的名称为“HIGHSALTCONCENTRATIONELECTROLYTESWITHDILUENTSFORSECONDARYLITHIUMBATTERIES”的美国临时专利申请第62/832,676号的优先权的权益,其以其整体通过引用并入本文。
本专利技术大体上涉及用于电化学装置的电解质的领域。具体地,本专利技术涉及含有基于较长侧链乙二醇醚的溶剂和氟化稀释剂的局部化高盐浓度电解质和其用途。
技术介绍
高盐浓度电解质已知增强具有锂金属负极的可充电电池或二次电池中的循环寿命。具体地,具有溶解在基于乙二醇醚(glyme)的溶剂中的大于2摩尔(M)的LiFSI或LiTFSI盐的电解质已知增强具有锂金属负极的电池中的充电-放电循环寿命性能。在常规的具有~1M锂盐浓度的电解质中,溶剂分子经历在锂金属负极的表面的还原以形成固体-电解质中间相(SEI)(钝化)层。在高盐浓度锂基电解质中,溶剂分子的大部分将保持与被溶剂化的Li+离子缔合并且不可用于形成SEI层。在没有游离溶剂分子的情况下,更紧密的和稳定的SEI由锂盐的被氟化的阴离子在锂负极的表面上形成,这导致电池的更高的锂镀/剥离库仑效率和增强的循环寿命性能。然而,高盐浓度电解质具有多种缺点,例如低的导电性、高的粘度以及随之发生的电极和隔板的差的润湿,导致比在常规的二次电池中典型地使用的电解质低的充电-放电速率(C速率)。高盐浓度电解质还由于它们的高的盐含量导致较高的生产成本,其中盐典型地是电解质的最昂贵的成分。用过量的溶剂稀释高盐浓度电解质创造更多的游离溶剂分子,游离溶剂分子与锂金属负极反应并且消耗锂金属负极,从而减少电池的库仑效率和循环寿命。此外,为了抵消由于高的盐浓度导致的高的粘度,这些电解质经常利用低沸点DME(1,2-二甲氧基乙烷或单乙二醇醚(monoglyme)或乙二醇二甲基醚(Ethyleneglycoldimethylether))作为溶剂。低沸点溶剂例如DME的使用典型地导致在充电状态中的同时被暴露至高的环境温度的电池单元中的显著的气体产生。
技术实现思路
在一个实施方式中,本公开内容涉及一种电解质,该电解质包含盐;溶剂,该溶剂包含式R1-(O-CH2-CH2)n-O-R2的乙二醇醚,其中n=1至4并且R1和R2中的至少一个是具有至少2个碳原子的烃侧链,其中盐是在溶剂中可溶解的;以及稀释剂,该稀释剂选自由氟化乙二醇醚和氟化醚组成的组。附图说明为了图示本专利技术的目的,附图示出了本专利技术的一个或更多个实施方式的方面。然而,应当理解,本专利技术不限于附图中示出的精确的方法和装置,在附图中:图1A是对于本公开内容的多个示例性的局部化高盐浓度(LHSC)电解质的循环寿命相比于锂盐浓度的图表,每个由双(氟磺酰基)酰亚胺锂盐(LiFSI)、1,2-二乙氧基乙烷(DEE)和1,2-(1,1,2,2-四氟乙氧基)-乙烷(TFE)组成并且具有不同的DEE:TFE体积百分数比率;图1B是对于图1A的LHSC电解质的不同的盐(LiFSI)浓度的循环寿命相比于DEE体积百分数的图表;图2是图1A和1B的各种LHSC电解质中的循环寿命相比于DEE/LiFSI(溶剂/盐)摩尔比率的图表;图3A是示出了对于多个不同的电解质的循环寿命的图表,包括具有70:30DEE:TFE体积百分数比率的本公开内容的2MLiFSI+DEE+TFELHSC电解质;图3B是示出了对于图3A的电解质的已归一化的气体产生的图表;并且图4是图示了根据本公开内容的方面制造的电化学装置的高水平图。具体实施方式在某些方面,本公开内容涉及使用较长侧链乙二醇醚和氟化稀释剂制备的局部化高盐浓度(LHSC)电解质。根据本公开内容制备的LHSC电解质可以具有高浓度的锂盐例如LiFSI或LiTFSI,例如被溶解在基于较长侧链乙二醇醚的溶剂例如DEE(1,2-二乙氧基乙烷或乙二醇二乙醚)中,基于较长侧链乙二醇醚的溶剂具有一个或更多个延伸基础乙二醇醚的分子结构的长度的侧链,无论其是单乙二醇醚还是多乙二醇醚。在单乙二醇醚的情况下,基础乙二醇醚是DME(1,2-二甲氧基乙烷)。如在本文中以及在所附的权利要求中使用的,术语“基于较长侧链乙二醇醚的溶剂”表示具有附接至乙二醇醚分子结构的至少一个端部的另外的烃分子结构的基于乙二醇醚的溶剂。基于较长侧链乙二醇醚的溶剂的实施例在下文详细地描述。根据本公开内容制备的LHSC电解质可以还包含作为稀释剂加入的氟化烃,例如氟化乙二醇醚或氟化醚,以克服通常与高盐浓度电解质相关联的缺点。氟化稀释剂典型地是与在LHSC电解质中使用的基于较长侧链乙二醇醚的溶剂可混合的,但是,由于其低的极性其被设计或选择为具有相对于基于乙二醇醚的溶剂低得多的锂盐溶解性。作为结果,即使在稀释剂的加入之后,基于较长侧链乙二醇醚的溶剂的溶剂分子和来自锂基盐的锂离子也将保持彼此缔合,并且因此保持高盐浓度电解质的优点。此外,氟化稀释剂的加入减小总体的粘度并且帮助改进LHSC电解质的导电性和润湿性质,而不增加电解质中的游离溶剂分子的量。进而,这允许更高的充电-放电速率的使用,例如典型地在常规的二次电池例如锂离子电池中使用的充电-放电速率,而不牺牲电池的高库仑效率和循环寿命。此外,因为稀释剂被氟化,所以其还可以帮助以类似于锂盐的被氟化的阴离子的方式在例如锂金属二次电池的负极的锂金属表面上形成更紧密的并且稳定的固体-电解质中间相(SEI)。此外,氟化稀释剂还允许本身是比在制备高盐浓度电解质中的DME粘性相对更大的更稳定的基于较长侧链乙二醇醚的溶剂的使用(例如,DEE(1,2-二乙氧基乙烷或乙二醇二乙醚)、DPE(1,2-二丙氧基乙烷或乙二醇二丙醚)、DBE(1,2-二丁氧基乙烷或乙二醇二丁醚)、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丙醚、二乙二醇二丁醚、三乙二醇二乙醚、三乙二醇二丙醚、三乙二醇二丁醚、四乙二醇二乙醚、四乙二醇二丙醚、四乙二醇二丁醚等)。进而,本公开内容的更稳定的基于较长侧链乙二醇醚的溶剂的使用防止或减少在被暴露至高环境温度的被充电的电化学电池单元中产生的气体。基于较长侧链乙二醇醚的溶剂的分解产物典型地将是具有更高的沸点的相对更大的分子(例如相对于DME),其可以趋向于更多地溶解入LHSC电解质中,而不是在电池单元内侧产生气体。此外,具有一个或更多个较长的侧链增加基于乙二醇醚的溶剂的摩尔体积,这进而减少每单位体积的LHSC电解质所需要的盐的量(摩尔浓度或克分子浓度)以保持Li+离子和溶剂分子之间的缔合,并且因此降低生产LHSC电解质的体积成本。在另一个方面,本公开内容涉及根据本公开内容制备的锂基LHSC电解质的用途。例如,这些LHSC电解质可以在任何合适的锂基的电化学装置中使用,例如电池或超级电容器。根据本公开内容制备的锂基LHSC电解质可以提供例如更大的充电-放电循环寿命以及减少的向电化学装置的气体产生,同时本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种电解质,所述电解质包含:/n盐;/n溶剂,所述溶剂包含式R

【技术特征摘要】
20190411 US 62/832,676;20190830 US 16/556,9581.一种电解质,所述电解质包含:
盐;
溶剂,所述溶剂包含式R1-(O-CH2-CH2)n-O-R2的乙二醇醚,其中n=1至4并且R1和R2中的至少一个是具有至少2个碳原子的烃侧链,其中所述盐是在所述溶剂中可溶解的;以及
稀释剂,所述稀释剂选自由氟化乙二醇醚和氟化醚组成的组。


2.根据权利要求1所述的电解质,其中所述盐包括碱金属盐。


3.根据权利要求2所述的电解质,其中所述盐包括全氟磺酰亚胺盐。


4.根据权利要求3所述的电解质,其中所述全氟磺酰亚胺盐包括锂基全氟磺酰亚胺盐。


5.根据权利要求4所述的电解质,其中所述锂基全氟磺酰亚胺盐包括双(氟磺酰基)酰亚胺锂。


6.根据权利要求1所述的电解质,其中所述盐包括锂基盐。


7.根据权利要求1所述的电解质,其中所述盐在所述电解质中的浓度为在约0.1M至约10M的范围内。


8.根据权利要求1所述的电解质,其中所述盐在所述电解质中的浓度为在约1M至约5M的范围内。


9.根据权利要求1所述的电解质,其中所述盐在所述电解质中的浓度为在约2M至约3M的范围内。


10.根据权利要求1所述的电解质,所述电解质具有约10:90至约100:0的溶剂:稀释剂的体积百分数比率。


11.根据权利要求1所述的电解质,所述电解质具有约40:60至约90:10的溶剂:稀释剂的体积百分数比率。


12.根据权利要求1所述的电解质,所述电解质具有约60:40至约80:20的溶剂:稀释剂的体积百分数比率。


13.根据权利要求1所述的电解质,所述电解质具有在约1:1至约4:1的范围内的溶剂:盐摩尔比率。


14.根据权利要求1所述的电解质,所述电解质具有在约1.5:1至约3:1的范围内的溶剂:盐摩尔比率。


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【专利技术属性】
技术研发人员:圭贵志A·蒂鲁万那马莱邹乐然M·金甘宏胡启朝
申请(专利权)人:麻省固能控股有限公司
类型:发明
国别省市:新加坡;SG

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