用于锂离子电池的经环氧改性的添加剂制造技术

公开了适合用于电化学能量储存装置中的经环氧化物官能化的有机化合物和含有所述经环氧化物官能化的有机化合物添加剂的电解质，所述电化学能量储存装置可用于降低电池电阻、增加循环寿命和改善高温性能。增加循环寿命和改善高温性能。增加循环寿命和改善高温性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的经环氧改性的添加剂
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求2020年8月27日提交的美国临时专利申请第63/071,020号的申请日的权益，其通过引用以其整体在此纳入。


[0003]本公开内容涉及可用于降低电池(battery)电阻、增加循环寿命、改善高温性能的经环氧化物官能化的有机化合物；含有所述经环氧化物官能化的有机化合物添加剂的电解质(electrolyte，电解液)；和含有这些电解质的电化学能量储存装置。
[0004]专利技术背景
[0005]锂离子电池被大量用于消费电子产品、电动车辆(EV)以及能量储存系统(ESS)和智能电网中。最近，具有在4.35V以上的电压的Li离子电池由于更高的容量和随后的能量密度益处而获得了重要性。然而，阴极材料在这些电位下的稳定性由于氧化增加而降低。这可能导致所述材料的电化学氧化以至于产生气体，并且这可能使电池的性能恶化。能够嵌入/脱嵌锂离子的阴极活性材料可溶解在非水性电解质中，导致所述材料的结构破坏(breakdown)，并且将导致界面电阻增加。这些Li离子电池在它们的运行期间通常还暴露于极端温度。在阳极上形成的SEI(固体电解质界面(Solid Electrolyte Interface))层在高温下逐渐破坏，并因此导致更加不可逆的反应，造成容量损失。类似地，CEI(阴极电解质界面(Cathode Electrolyte Interface))在高温下也会失去稳定性。这些反应在循环期间发生在正电极和负电极上，但在更高的温度下由于更快的动力学而一般更加严重。相对于Li离子电池的当前现有技术，在消费电子产品、EV和ESS中使用的下一代Li离子电池将需要在电解质组分上的显著改进。
[0006]正离子和负离子在电池电极之间的穿梭是电解质的主要功能。历史上，研究人员专注于开发电池电极，而电解质开发有限。传统的Li离子电池使用具有大电化学窗口的基于碳酸酯的电解质，其可传输锂离子。这些电解质需要功能添加剂来钝化阳极并形成稳定的SEI，以及用于稳定阴极的添加剂。同时，需要设计和开发允许高电压、高能量Li离子电池稳定和安全循环的添加剂。
[0007]随着工业朝着用于更高能量电池的更高能量阴极材料发展，电池在宽电压窗口中的稳定、高效和安全循环是必要的。Li离子电池电解质可基于它们的应用通过添加不同的共溶剂和添加剂来调节。这种可调节性(tunability)使得能够开发用于Li离子单元电池(cell)的高电压稳定性和安全性的不同的添加剂。高电压Li离子电池电解质开发的另一方面是设计和优化通过聚合形成CEI来稳定阴极的添加剂。这种添加剂的开发可使得能够实现更高能量的阴极材料，并因此改善Li离子单元电池的能量储存能力。
[0008]在本文中，经环氧化物官能化的有机化合物被报道为Li离子电池的添加剂。作为电解质添加剂的具有所述官能团的分子允许形成保护阴极和电解质免于在高电位下降解的CEI。在电解质中具有这种添加剂的单元电池将能够实现安全、长的循环寿命和高能量的锂离子电池。
[0009]忠南国立大学产业协作基金会(Chungnam National University Industry Collaboration Foundation)的韩国专利KR 1535071报道了使用2
‑
环氧乙烷乙腈作为用于锂二次电池的电解质的组分。因此，需要掺入新的添加剂以改善锂离子电池的性能。

技术实现思路

[0010]根据本公开内容的一个方面，提供用于电化学能量储存装置的电解质，所述电解质包括：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂；非质子(aprotic,质子惰性)有机溶剂体系；和金属盐。
[0011]根据本公开内容的另一方面，提供用于电化学能量储存装置的电解质，所述电解质包括：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种另外的添加剂。
[0012]据本公开内容的另一方面，提供电化学能量储存装置，其包括：阴极；阳极；隔膜(separator，隔板)；和包括如下的电解质：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂、非质子有机溶剂体系和金属盐。
[0013]根据本公开内容的另一方面，提供用于电化学能量储存装置的电解质，所述电解质包括：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种另外的添加剂；其中所述非质子有机溶剂包括开链或环状的碳酸酯、羧酸酯、亚硝酸酯、醚、砜、亚砜、酮、内酯、二氧戊环、甘醇二甲醚、冠醚、硅氧烷、磷酸酯、亚磷酸酯、单磷腈或聚磷腈或其混合物。
[0014]根据本公开内容的另一方面，提供用于电化学能量储存装置的电解质，所述电解质包括：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种另外的添加剂；其中所述金属盐的阳离子是铝、镁，或碱金属如锂或钠。
[0015]根据本公开内容的另一方面，提供用于电化学能量储存装置的电解质，所述电解质包括：经环氧化物官能化的有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种另外的添加剂；其中所述另外的添加剂包含：含有至少一个不饱和碳
‑
碳键的化合物、羧酸酐、含硫化合物、含磷化合物、含硼化合物、含硅化合物或其混合物。
[0016]根据本公开内容的另一方面，提供包括如下的电化学能量储存装置电解质：非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种根据本文中的式I、II、III、IV、V或VI的经环氧化物官能化的有机化合物添加剂。
[0017]根据本公开内容的另一方面，提供包括如下的电化学能量储存装置：阴极；阳极；根据本公开内容的电解质；和隔膜。
[0018]在阅读以下详细描述和所附权利要求后，本公开内容的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
[0019]图1是显示在根据本公开内容的NMC811/Gr单元电池中测试的电解质的dQ/dV曲线的图；
[0020]图2是显示在根据本公开内容的NMC622/Gr单元电池中测试的电解质的dQ/dV曲线的图；
[0021]图3显示在根据本公开内容的NMC622/Gr单元电池中测试的电解质的室温循环寿命特性；和
[0022]图4显示在根据本公开内容的NMC622/Gr单元电池中测试的电解质的45℃循环寿命特性；
[0023]图5显示1.6Ah NMC811/Gr单元电池在25℃下以1C倍率充电和放电循环期间的循环寿命特性；和
[0024]图6是CE101、CE102和EE101的5.0Ah NMC811/Gr单元电池的容量保持率的图。
具体实施方式
[0025]所公开的技术总体上涉及锂离子(Li离子)电池电解质。特别地，本公开内容涉及包括至少一个氧
‑
磷键的经环氧化物官能化的有机化合物，含有这些添加剂材料的电解质，和含有所述电解质的电化学能量储存装置。
[0026]本公开内容描述了具有电解质添加剂的Li离子电池电解质，所述电解质添加剂可克服本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电化学能量储存装置电解质，其包含：非质子有机溶剂体系；金属盐；和至少一种根据式I、II、III、IV、V或VI的经环氧化物官能化的有机化合物添加剂：(I)(II)(III)(IV)(V)(VI)其中：n为1至8的整数；X为氧或硫；R1、R2、R3、R4和R5独立地为卤素、氧或硫原子，进一步键合至C1‑
C
12
取代或未取代的烷基或C6‑
C
14
芳基，C1‑
C
12
取代或未取代的烷基或C6‑
C
14
芳基，其中任意氢或碳原子可未被取代或可独立地被环氧化物、卤素、烷基、烷氧基、全氟烷基、甲硅烷基、甲硅烷氧基、硅烷、亚砜、酰胺、偶氮、醚或硫醚基团或其组合取代；R6和R7独立地为氧或硫原子，进一步键合至C1‑
C
12
取代或未取代的烷基或C6‑
C
14
芳基，独立地C1‑
C
12
取代或未取代的烷基或C6‑
C
14
芳基，其中任意氢或碳原子可未被取代或可独立地被环氧化物、卤素、烷基、烷氧基、全氟烷基、甲硅烷基、甲硅烷氧基、硅烷、亚砜、酰胺、偶氮、醚或硫醚基团或其组合取代；和R8、R9和R10独立地选自氢、C1‑
C
12
烷基、杂烷基、全氟烷基、烯基、芳基或烷氧基。2.权利要求1所述的电解质，其中所述至少一种经环氧化物官能化的有机化合物添加
剂为以下中的至少一种：缩水甘油基二氟亚磷酸酯、缩水甘油基二甲基亚磷酸酯、缩水甘油基双(三氟甲基)亚磷酸酯、缩水甘油基二乙基亚磷酸酯、缩水甘油基双(2,2,2
‑
三氟乙基)亚磷酸酯、缩水甘油基双(全氟乙基)亚磷酸酯、缩水甘油基二异丙基亚磷酸酯和缩水甘油基双(1,1,1,3,3,3
‑
六氟
‑2‑
丙基)亚磷酸酯、(3
‑
缩水甘油氧基丙基)三甲氧基硅烷，及其混合物。3.权利要求1所述的电解质，其中所述至少一种经环氧化物官能化的有机化合物添加剂以0.01重量％至10重量％的浓度存在于所述电解质中。4.权利要求1所述的电解质，其中所述非质子有机溶剂体系包含开链或环状的碳酸酯、羧酸酯、亚硝酸酯、醚、砜、酮、内酯、二氧戊环、甘醇二甲醚、冠醚、硅氧烷、磷酸酯、亚磷酸酯、单磷腈或聚磷腈或其混合物。5.权利要求1所述的电解质，其中所述非质子有机溶剂体系以60重量％至90重量％的浓度存在于所述电解质中。6.权利要求1所述的电解质，其中所述金属盐的阳离子是碱金属。7.权利要求6所述的电解质，其中所述碱金属是锂或钠。8.权利要求1所述的电解质，其中所述金属盐的阳离子是铝或镁。9.权利要求1所述的电解质，其中所述金属盐以10重量％至30重量％的浓度存在于所述电解质中。10.权利要求1所述的电解质，其进一步包含至少一种另外的添加剂。11.权利要求10所述的电解质，其中所述至少一种另外的添加剂包含：含硫化合物、含磷化合物、含硼化合物、含硅化合物、含氟化合物、含氮化合物、含有至少一个不饱和碳
‑
碳键的化合物、羧酸酐或其混合物。12.权利要求10所述的电解质，其中所述至少一种另外的添加剂包含部分或完全卤代的磷酸酯化合物、离子液体、(甲基磺酰基)环三磷腈或其混合物。13.权利要求12所述的电解质，其中所述部分或完全卤代的磷酸酯化合物为4
‑
氟苯基二苯基磷酸酯、3,5
‑
二氟苯基二苯基磷酸酯、4
‑
氯苯基二苯基磷酸酯、三氟苯基磷酸酯、七氟丁基二苯基磷酸酯、三氟乙基二苯基磷酸酯、双(三氟乙基)苯基磷酸酯或苯基双(三氟乙基)磷酸酯。14.权利要求12所述的电解质，其中所述离子液体为三(N
‑
乙基
‑
N
‑
甲基吡咯烷鎓)硫代磷酸酯双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、三(N
‑
乙基
‑
N
‑
甲基吡咯烷鎓)磷酸酯双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、三(N
‑
乙基
‑
N
‑
甲基哌啶鎓)硫代磷酸酯双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺或三(N
‑
乙基
‑
N
‑
甲基哌啶鎓)磷酸酯双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。15.权利要求10所述的电解质，其中所述至少一种另外的添加剂以0.01重量％至10重量％的浓度存在于所述电解质中。16.电化学能量储存装置，其包括：阴极；阳极；根据权利要求1所述的电解质；和隔膜。17.权利要求16所述的装置，其中所述阴极包含锂金属氧化物、尖晶石、橄榄石、碳涂覆
的橄榄石、氧化钒、过氧化锂、硫、多硫化物、锂一氟化碳或其混合物。18.权利要求17所述的装置，其中所述锂金属氧化物为LiCoO2、LiNiO2、LiNi
x
Co
y
Met

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：诺姆斯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：