本发明专利技术涉及一种无阳极锂离子电池，其包括a)阴极，该阴极包括阴极集流体和在该阴极集流体上的阴极电活性材料；b)阳极集流体；c)在该a)阴极与该b)阳极集流体之间的液体电解质组合物；以及d)隔膜，其中该c)液体电解质组合物包含i)相对于该电解质组合物的总体积按体积计至少70％(vol％)的溶剂混合物，该溶剂混合物包含至少一种氟化醚化合物和至少一种非氟化醚化合物，以及ii)至少一种锂盐。以及ii)至少一种锂盐。以及ii)至少一种锂盐。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无阳极锂电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年4月22日提交的欧洲专利申请号20170844.3的优先权，出于所有目的将该申请的全部内容通过援引方式并入本申请。
[0003]本专利技术涉及一种无阳极锂离子电池，其包括a)阴极，该阴极包括阴极集流体和在该阴极集流体上的阴极电活性材料；b)阳极集流体；c)在该a)阴极与该b)阳极集流体之间的液体电解质组合物；以及d)隔膜，其中该c)液体电解质组合物包含i)相对于该电解质组合物的总体积按体积计至少70％(vol％)的溶剂混合物，该溶剂混合物包含至少一种氟化醚化合物和至少一种非氟化醚化合物，以及ii)至少一种锂盐。
技术介绍
[0004]二十多年来，锂离子电池由于其包括重量轻、能量密度合理以及循环寿命良好的多种优点而在可充电储能装置市场中保持着主导地位。然而，目前的锂离子电池仍然受制于相对于所需的能量密度相对较低的能量密度，这对于高功率应用如电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)、电网储能等正在增加。
[0005]一般来说，锂离子电池具有各种部件，包括阳极集流体、阳极材料、电解质、隔膜、阴极材料、阴极集流体和外壳。由于使用了各种部件，所以锂离子电池通过许多步骤制造。锂离子电池的阳极通常是通过将电活性材料施加在阳极集流体上以产生活性材料层形成的，该层可包含活性材料、导电材料和粘合剂。
[0006]自20世纪70年代以来，采用锂金属作为阳极材料已经是已知的。事实上，由于锂金属的低氧化还原电位和高比容量(即约3861mAh g
‑1)，锂金属具有有利的特性。然而，由于以下两个主要缺点，这些电池还没有取得商业上的成功：
[0007]首先，在电池运行期间可能形成锂金属枝晶。它们倾向于在电池中积累，刺穿隔膜并引起内部短路，导致发热并可能导致火灾或爆炸。
[0008]其次，在初始循环期间，固体电解质界面(SEI)层在阳极表面形成，造成显著的库仑效率损失，以及电池电阻的增加。尽管这种低库仑效率可以通过具有过量的Li金属得到部分补偿，但具有高安全风险的枝晶生长相关的电池故障一直是工业中的大障碍。
[0009]因此，为了减少或抑制锂枝晶形成并改善电池的循环性能，已经进行了各种研究工作。
[0010]已经考虑使用固体聚合物电解质代替液体电解质。例如，S.Liu等人在Journal of Power Sources[电源杂志],195,6847(2010)中描述了一种锂电化学电池，其包括聚环氧乙烷PEO
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与三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)的锂离子导电聚合物电解质。然而，即使用这种固体聚合物也观察到了短路，尽管其程度比用液体电解质更小。此外，尚没有报道在室温下具有高导电性的聚合物电解质。
[0011]魁北克水电公司(Hydro
‑
Quebec)和3M公司最近开发了锂电化学电池，其包括聚合
物电解质、由薄锂箔制成的阳极和含有氧化钒作为电活性材料的阴极。然而，关于这些电池的事故已被报道，这可能是由在充电过程期间形成枝晶造成的。
[0012]也已经考虑使用固体电解质代替液体电解质。例如，R.Sudo等人在Solid State Ionics[固态离子学],262,151(2014)中描述了在包含锂阳极的电化学电池中使用Al掺杂的Li7La3Zr2O
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作为固体电解质。然而，再次观察到了锂枝晶。
[0013]许多防止锂枝晶形成的方法都集中在改善阳极上钝化层的稳定性和均匀性。例如，D.Aurbach等人在Solid State Ionics[固态离子学],148,405(2002)中和H.Ota等人在Electrochimica Acta[电化学学报],49,565(2004)中报道，添加剂如CO2、SO2和碳酸亚乙烯酯有助于改善钝化层的稳定性。然而，这些添加剂在电池运行期间被消耗。因此，它们不能为枝晶形成问题提供长期的解决方案。
[0014]也有一些包括改变液体电解质的组成的方法。
[0015]例如，L.Suo等人在Nature Communications[自然通讯],DOI:10.1038/ncomms2513(2013)中描述了使用在二甲氧基乙烷(DME)
‑
1,3二氧戊环(DOL)(1:1v:v)中具有高锂盐浓度的LiTFSI的液体电解质来抑制锂枝晶形成。
[0016]J.Qian等人在Nature Communications[自然通讯],DOI:10.1038/ncomms7362(2015)中描述了使用在二甲氧基乙烷(DME)
‑
1,3二氧戊环(DOL)(1:1v:v)中具有高锂盐浓度的双(氟磺酰基)酰亚胺锂LiN(FSO2)2(LiFSI)的液体电解质以实现锂金属电极的高速循环而没有枝晶生长。
[0017]H.Wang等人在ChemElectroChem[化学电化学],2,1144(2015)中报道，含有锂金属作为阳极以及四甘醇二甲醚(G4)和LiFSI的溶剂化离子液体作为电解质的电池表现出优异的循环性能。
[0018]寻找在阳极表面处锂枝晶生长的补救的另一种方法是无阳极锂离子电池。在无阳极电池中，即使考虑到由于通过充电进行的镀锂而导致的阳极厚度增加，能量密度也可能比常规的锂离子电池的能量密度显著更大。
[0019]在这方面，除了结构差异外，锂金属电池与无阳极电池之间的主要差异包括以下：
[0020]i)由于没有阳极，无阳极电池中的充电/放电机制与常规的可再充电电池完全不同。对于无阳极电池，尽管既不使用锂箔也不使用其他阳极，但锂对于阴极是绝对必要的，因为阳极集流体上的锂金属是由锂过渡金属氧化物获得的，例如LiCoO2、NCM(LiNixCoyMnzO2)等。更具体地，从阴极电解质浸泡的隔膜中提取的锂离子被电镀到阳极集流体的表面上，在充电过程期间形成沉积的锂与电化学稳定的固体电解质中间相(SEI)。沉积的锂是用于放电的唯一可用锂源。从这个原因来看，由于在阳极侧没有活性锂源，所以在锂金属电池中经常造成的安全隐患大大减少；并且
[0021]ii)无阳极电池的电化学过程的动力学与锂电池不同。也就是说，在无阳极电池中，锂是在其第一次充电时从阴极直接镀在阳极集流体的裸露表面上，而对于锂金属电池，锂沉积在锂箔上，这容易导致枝晶生长。此外，常规的液体电解质的副反应变得更加严重。这最终导致通过反复破坏和修复SEI层的阳极膨胀，这阻碍了工业化。
[0022]目前，这种无阳极电池使用常规的液体电解质如基于碳酸盐的电解质或具有低粘度和高离子导电性的基于醚的电解质。这些液体电解质在循环开始时分解成为钝化层，这将导致枝晶生长，以及还有电解质与沉积的反应性锂离子之间的进一步副反应。这一直是
阻碍无阳极电池商业化的关键问题之一。因此，尽管无阳极电池有各种优势，但由锂电镀/剥离过程中的基本问题所带来的那些挑战迫使本领域技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种无阳极锂离子电池，其包括：a)阴极，该阴极包括阴极集流体和在该阴极集流体上的阴极电活性材料；b)阳极集流体；c)在该a)阴极与该b)阳极集流体之间的液体电解质组合物；以及d)隔膜，其中该c)液体电解质组合物包含i)相对于该电解质组合物的总体积按体积计至少70％(vol％)的溶剂混合物，该溶剂混合物包含至少一种氟化醚化合物和至少一种非氟化醚化合物，以及ii)至少一种锂盐。2.根据权利要求1所述的无阳极锂离子电池，其中，该溶剂混合物包含相对于该溶剂混合物的总体积
‑
从60至90vol％的至少一种氟化醚化合物；以及
‑
从10至40vol％的至少一种非氟化醚化合物。3.根据权利要求1或2所述的无阳极锂离子电池，其中，该溶剂混合物包含相对于该溶剂混合物的总体积
‑
从80至90vol％的至少一种氟化醚化合物；以及
‑
从10至20vol％的至少一种非氟化醚化合物。4.根据权利要求1至3中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该氟化醚化合物具有化学式C
a
F
b
H
c
O
d
，其中a、b、c和d均为整数，d为从1至3的整数，a为从3至10、优选从4至7的整数，并且2*(a+1)＝b+c。5.根据权利要求1至4中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该氟化醚化合物包括1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙基醚(TTE)和CF2HCF2‑
OCH2CH2O
‑
CF2CF2H。6.根据权利要求1至5中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该非氟化醚化合物包括二甲氧基乙烷(DME)、1,3
‑
二氧戊环(DOL)、二丁基醚、四乙二醇二甲醚(TEGME)、二乙二醇二甲醚(DEGME)、二乙二醇二乙醚(DEGDEE)、聚乙二醇二甲醚(PEGDME)、2
‑
甲基四氢呋喃和四氢呋喃(THF)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该阴极电活性材料选自由以下各项组成的组：LiMQ2，其中M是至少一种选自Co、Ni、Fe、Mn、Cr和V的金属并且Q是O或S；LiNi
x
Co1‑
x
O2(0<x<1)；尖晶石结构的LiMn2O4；具有式LiNi
x
Mn
y
Co
z
O2(x+y+z＝1)的基于锂
‑
镍
‑
锰
‑
钴的金属氧化物，具有式LiNi
x
Co
y
Al
z
O2(x+y+z＝1)的基于锂
‑
镍
‑
钴
‑
铝的金属氧化物和LiFePO4。8.根据权利要求1至7中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该阴极电活性材料负载到该阴极集流体上以具有在1.0mAh/cm2与10.0mAh/cm2之间、优选在3.0mAh/cm2与8.0mAh/cm2之间并且更优选在4.0mAh/cm2与7.0mAh/cm2之间的面容量。9.根据权利要求1至8中任一项所述的无阳极锂离子电池，其中，该锂盐选自由以下各项组成的组：a)LiN(SO2F)2(双(氟磺酰基)酰亚胺锂：LiFSI)、LiN(CF3SO2)2(双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺锂：LiTFSI)、LiPF...
【专利技术属性】
技术研发人员：JA，
申请(专利权)人：索尔维公司，
类型：发明
国别省市：
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