基于氟化离子液体的稳定电解质及其在高电流速率Li-空气蓄电池的应用制造技术

本发明专利技术涉及用于特别是锂

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于氟化离子液体的稳定电解质及其在高电流速率Li
‑
空气蓄电池的应用
专利

[0001]本专利技术涉及可特别使用在锂
‑
空气蓄电池中的电解质组合物。电解质组合物含有离子液体，该离子液体包含氟化阳离子、阴离子以及溶剂和锂盐。
[0002]专利技术背景
[0003]可再充电锂蓄电池由于它们的高能量密度和高功率受到相当大的关注。尤其是，可再充电锂
‑
空气蓄电池吸引了需要高能量密度的电动车辆和混合动力车辆的注意。锂
‑
空气蓄电池还可使用在各种装置(例如计算机和电话)中、在汽车或固定应用中，并可组装在蓄电池包中。
[0004]可再充电锂
‑
空气蓄电池使用空气中的氧作为阴极活性材料。因此，与含有过渡金属氧化物(例如钴酸锂)作为阴极活性材料的常规可再充电锂蓄电池相比，可再充电锂
‑
空气蓄电池能够具有更大的容量。
[0005]在金属
‑
空气蓄电池中，阴极活性材料、即氧不包含在蓄电池内。替代地，该材料由周围大气提供。自然地，这样的系统原则上允许非常高的比能量(由每单位重量的蓄电池提供的能量，通常在本
中以Wh/kg给出)。在这样的蓄电池中，根据催化剂、电解质、氧的可得性等，氧可部分还原为过氧化物，或完全还原为氢氧化物或氧化物。当负极(阳极)是锂(Li)时，可形成过氧化锂(Li2O2)或氧化锂(Li2O)。
[0006]锂
‑
空气蓄电池通常包含以下部件：
[0007]‑
金属阳极(例如含有Li)，
[0008]‑
非水电解质(例如含有锂盐)
[0009]‑
空气阴极。
[0010]可存在蓄电池装置的其它部件，例如：阳极和/或阴极侧上的集流体；在阴极侧电解质(阴极电解质)和阳极侧电解质(阳极电解质)之间的分隔体；正极(阴极)和电解质之间或负极(阳极)和电解质之间的阻隔层。
[0011]WO2014/133466公开由以下组成的金属空气蓄电池用的电解质：离子液体(IL)、桥联溶剂(有机溶剂)、氟化的碳化合物和金属盐。在该公开的具体实施方案中，在Li
‑
O2电池的制备和测试之前使用全氟庚烷来浸渍碳电极。使用商购PYR
14
‑
TFSI作为电解质中的离子液体(PYR
14
‑
TFSI是1
‑
甲基
‑1‑
丁基
‑
吡咯烷双(三氟甲磺酸)亚胺)。氟化化合物(帮助提高O2浓度)是仅在碳电极表面处的添加剂并因此它的活化效果可能不均匀。
[0012]US2017/0222290公开与溶剂附着的氟化链从而形成氟化溶剂(2,2
‑
双(三氟甲基))
‑
1,3
‑
二氧戊环。在电解质的组成中没有提到离子液体。氟化溶剂是相对挥发性的，可发生电解质和组分的干燥从而导致蓄电池性能的损失。
[0013]WO2018/033200描述氟化的离子液体的合成从而提供高的氧溶解度。
[0014]在锂
‑
空气蓄电池用的已知Li
‑
O2电解质中，需要解决以下问题：
[0015]‑
在O2自由基的存在下维持所有物理
‑
化学性质；
[0016]‑
当施加高电流密度时提供高容量；
[0017]‑
确保电解质与Li金属阳极在有效的剥离和镀覆的状态下相容。

技术实现思路

[0018]为了改进与锂
‑
空气蓄电池用的已知电解质有关的问题，本专利技术人提出如在所附权利要求书中列出的组合物。认为该组合物提供高电流速率Li
‑
氧蓄电池用的稳定电解质(SEHCLO)。组合物含有具有特定阳离子部分的氟化离子液体、某一类型和量的有机溶剂和Li盐。
[0019]专利技术人的实验结果表明在本专利技术的电解质组合物中使用的具有特定阳离子部分的氟化离子液体提供：
[0020]ο针对O2‑
自由基的高稳定性(如在CV实验中所示)；
[0021]ο与离子液体的可忽略的蒸汽压有关的低挥发性，从而减小通过干燥而性能损失的风险；
[0022]ο没有例如当提供氟化的有机化合物(例如表示为PFC的全氟化碳)作为电解质的额外添加剂时遇到的混溶性问题。
[0023]ο疏水性：随着通过使用氟化的阳离子获得氧溶解性，所得的离子液体是疏水的，这对于(电解质的和/或蓄电池的)生产工艺和对于开放蓄电池(空气蓄电池)的使用是潜在优势。
[0024]已实验观察到含锂电解质组合物提供：
[0025]ο在较高电流速率下较高的放电容量；
[0026]ο Li
‑
O2电池的较高功率和能量密度；
[0027]ο较高的循环性，因为电解质组分没有因为与氧自由基或Li金属接触而被破坏；
[0028]ο多亏了低的挥发性，没有电解质蒸发的风险。
[0029]在一方面，本专利技术涉及电解质组合物，包含：
[0030](A)具有以下结构式(1)的阳离子：
[0031]R1R2R3N
+
‑
(连接基团1)
‑
O
‑
(连接基团2)
‑
(FC)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0032]其中：
[0033]‑
R1和R2都是C1
‑
C6直链状或分支状烷基，优选甲基或乙基，
[0034]‑
R3是C1
‑
C6直链状或分支状烷基，优选甲基或乙基，
[0035]‑
连接基团1由以下组成：亚烷基链
‑
(CH2)
n
‑
，其中n≥1，或式
‑
(CH2‑
O
‑
CH2‑
)
p
的链，其中p≥1；
[0036]‑
连接基团2由以下组成：亚烷基链
‑
(CH2)
m
‑
，其中m≥1，或式
‑
(CH2‑
O
‑
CH2‑
)
q
的链，其中q≥1；
[0037]‑
基团FC是式C
a
H
b
F
c
的氟化烷基，其中b+c＝2a+1，其中c为至少1且至多2a+1且a为至少1且至多10；
[0038](B)阴离子；
[0039](C)以重量计至少8％且至多50％的溶剂，相对于由电解质组合物的所有组分构成的以重量计的100％，其中溶剂是含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电解质组合物，包含：(A)具有以下结构式(1)的阳离子：R1R2R3N
+
‑
(连接基团1)
‑
O
‑
(连接基团2)
‑
(FC)
ꢀꢀꢀ
(1)其中：
‑
R1和R2都是C1
‑
C6直链状或分支状烷基，优选甲基或乙基，
‑
R3是C1
‑
C6直链状或分支状烷基，优选甲基或乙基，
‑
连接基团1由以下组成：亚烷基链
‑
(CH2)
n
‑
，其中n≥1，或式
‑
(CH2‑
O
‑
CH2‑
)
p
的链，其中p≥1；
‑
连接基团2由以下组成：亚烷基链
‑
(CH2)
m
‑
，其中m≥1，或式
‑
(CH2‑
O
‑
CH2‑
)
q
的链，其中q≥1；
‑
基团FC是式C
a
H
b
F
c
的氟化烷基，其中b+c＝2a+1，其中c为至少1且至多2a+1且a为至少1且至多10；(B)阴离子；(C)以重量计至少8％且至多50％的溶剂，相对于由电解质组合物的所有组分构成的以重量计的100％，其中溶剂是含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑
O
‑
CH2‑
CHMe
‑
O
‑
基团的溶剂、∈
‑
己内酯低聚物或二烷基亚砜；(D)至少0.1mol
·
kg
‑1且至多0.9mol
·
kg
‑1的量的锂盐，相对于电解质组合物整体。2.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑
O
‑
CH2‑
CHMe
‑
O
‑
基团的溶剂显示封端的
‑
O
‑
Me基团。3.根据权利要求1或2所述的电解质组合物，其中含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑
O
‑
CH2‑
CHMe
‑
O
‑
基团的溶剂具有不大于225g
·
mol
‑1的分子量Mw。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电解质组合物，其中含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑
O
‑
CH2‑
CHMe
‑
O
‑
基团的溶剂选自：二甲氧基乙烷(DME)、二乙二醇二甲醚(二甘醇二甲醚)、三乙二醇二甲醚(三甘醇二甲醚、TEGDME)和四乙二醇二甲醚(四甘醇二甲醚)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电解质组合物，其中含有至少一个
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
O
‑
或
‑
O
‑
CH2‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：L，
申请(专利权)人：丰田自动车欧洲公司，
类型：发明
国别省市：