具有非氟化混合醚共溶剂体系的电解质、制备这样的电解质的方法和利用这样的电解质的电化学装置制造方法及图纸

在一些实施方案中，混合醚电解质包含具有至少一种非氟化环醚和至少一种非氟化线性醚的非氟化混合醚共溶剂体系，其中以使得非氟化混合醚共溶剂体系中的一定数目的阳离子M和一定数目的氧原子之间的摩尔比落在期望的范围内的量来提供混合醚电解质中的活性金属(具有溶剂化数SN)的一定数目的阳离子M。在一些实施方案中，本公开内容的混合醚电解质还包含至少一种氟化醚。在一些实施方案中，本公开内容的混合醚电解质可以任选地包含一种或更多种与非氟化混合醚共溶剂体系中的溶剂不同的溶剂，并且如果提供，该溶剂不同于氟化醚。还公开了制备混合醚电解质的方法，以及利用根据本公开内容制备的混合醚电解质的电化学电池。内容制备的混合醚电解质的电化学电池。内容制备的混合醚电解质的电化学电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有非氟化混合醚共溶剂体系的电解质、制备这样的电解质的方法和利用这样的电解质的电化学装置
[0001]相关申请数据
[0002]本申请要求于2020年12月14日提交的且标题为“Lithium Cation
‑
Ether Oxygen Coordinated Hybrid Ether Electrolytes Enabling High Performance Lithium Batteries”的美国临时专利申请序列号63/125,164的优先权的权益，该美国临时专利申请以其整体通过引用并入本文。
专利

[0003]本专利技术总体上涉及用于活性金属电化学电池的电解质的领域。特别地，本专利技术涉及具有非氟化混合醚共溶剂体系的电解质、制备这样的电解质的方法以及利用这样的电解质的电化学装置。
[0004]背景
[0005]使用具有～372mAh g
‑1的理论容量的石墨阳极的现有技术的锂离子电池已经几乎达到了它们的理论能量密度，但是它们仍然不能提供满足某些应用要求所需的高能量密度，特别是对于远程电动交通工具。锂金属已经众所周知地被认为是理想的阳极候选物，因为它具有超高的理论容量(3,860mAh g
‑1)和很低的氧化还原电位(
‑
3.040V，相对于标准氢电极)。在对锂金属阳极的四十年的研究中，科学家们做出了无数努力来推动锂金属电池发展的极限。然而，在实现锂金属阳极在可充电(即二次)锂金属电池中的实际实施之前，需要克服若干遗留的障碍。这些障碍包括：(1)不可控的锂枝晶生长导致严重的安全问题；(2)金属锂的热力学不稳定性可能引起锂和电解质之间的不可逆的且连续的反应，该反应快速地消耗锂和电解质两者，并且增加内阻；以及(3)在充电/放电的沉积/剥离(plating/stripping)期间，在锂金属阳极中发生大的体积变化和形态变化，但是固体电解质界面(SEI)膜太脆弱以致不能完全抑制在锂金属电极中的这样的显著变化。
[0006]本公开内容的概述
[0007]在实施中，本公开内容涉及混合醚电解质，该混合醚电解质包含：至少一种盐，该盐包含总数目的活性金属的阳离子M，其中活性金属具有溶剂化数(solvation number)SN；以及非氟化混合醚共溶剂体系，该非氟化混合醚共溶剂体系由至少一种非氟化环醚和至少一种非氟化线性醚组成，其中非氟化混合醚共溶剂体系具有总数目的氧原子O；并且其中至少一种盐和非氟化混合醚共溶剂体系以相应的量存在，该相应的量使得混合醚电解质具有在约1:(SN
‑
3)至约1:(SN+3)的范围内的M:O摩尔比。
[0008]附图简述
[0009]为了说明本专利技术的目的，附图示出了本专利技术的一种或更多种实施方案的方面。然而，应当理解，本专利技术不限于附图中示出的精确布置和手段，其中：
[0010]图1是包含表1中列出的电解质中的对应的电解质并且使用0.2C充电倍率和0.1C放电倍率循环的第一组的3/4层软包电池(pouch cell)的容量保持率(capacity retention)相对于循环次数的图；
[0011]图2是包含表1中列出的电解质中的对应的电解质并且使用0.33C充电倍率和0.33C放电倍率循环的第二组的3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图；
[0012]图3是包含表1中列出的电解质中的对应的电解质并且使用0.2C充电倍率和1.0C放电倍率循环的第三组的3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图；
[0013]图4A是两个10/11层软包电池的气体产生的量的图，每个软包电池包含对照和表1的混合醚3电解质；
[0014]图4B是图4A的两个软包电池的恢复容量比(recovered capacity ratio)的图；
[0015]图5是使用0.33C充电倍率和0.33C放电倍率循环的第一对3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图，每个软包电池包含对照和表1的混合醚3电解质；
[0016]图6是使用0.2C充电倍率和0.1C放电倍率循环的第二对3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图，每个软包电池包含对照和表1的混合醚3电解质；
[0017]图7是使用0.33C充电倍率和0.33C放电倍率循环的第三对3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图，每个软包电池包含对照和表1的混合醚3电解质；
[0018]图8是使用0.2C充电倍率和0.1C放电倍率循环的第二对3/4层软包电池的容量保持率相对于循环次数的图，每个软包电池包含对照和表1的混合醚3电解质；以及
[0019]图9是本公开内容的包含如本文描述的混合醚电解质的电化学电池的图。
[0020]详述
[0021]总则
[0022]在一些方面中，本公开内容涉及用于电化学装置诸如电池和超级电容器的混合醚电解质或有时简单地为“电解质”，所述电化学装置包括但不限于基于锂作为活性金属的电化学装置，诸如锂金属二次电池和锂离子二次电池。在一些实施方案中，电解质包含至少一种非氟化环醚、至少一种非氟化线性醚(还可以包括支化的线性醚和支化的环醚，尽管为了简单起见使用“线性醚”)和至少一种盐，其中在非氟化环醚和非氟化线性醚的组合中盐阳离子与氧原子的摩尔比，或在非氟化环醚+非氟化线性醚组合中盐阳离子与溶剂分子的摩尔比被调整以使电解质中游离溶剂的量，即在环醚+线性醚组合中未与任何盐阳离子配位的非氟化溶剂的量最小化。如本文和所附权利要求中所使用的，术语“非氟化混合醚共溶剂体系”被用于描述包含至少一种非氟化环醚和至少一种非氟化线性醚的溶剂体系，其中词语“混合”指示环醚和线性醚两者的存在。
[0023]在一些实施方案中，配制本公开内容的电解质以解决在上文背景部分中描述的用于锂金属二次电池的常规电解质的主要瓶颈(即差的循环稳定性)，该主要瓶颈归因于锂金属阳极在循环期间在大多数常规电解质中的低的库仑效率(CE)。这些制剂提供了具有对锂金属阳极的极高稳定性并且具有高抗氧化特性的新类别的“混合醚电解质”，以显著改善可充电锂金属电池的循环性能，这大大推进了高能量锂电池的应用的边界。
[0024]更特别地，本公开内容的新的混合醚电解质能够减少与活性金属(例如锂)的副反应，显著增加锂沉积/剥离的CE，以及抑制或减缓锂枝晶生长。这些效应导致循环寿命的显著改善。为了与包含具有差的循环寿命(在100次循环内)的传统电解质的>400wh/kg锂金属电池竞争，新的混合醚电解质的循环稳定性已经在不同的测试方案中被验证，这已经展示了大大改善的电池性能。通过将上文的新的电解质组分仔细地组合并且根据本文公开的原理来设计电解质制剂，依赖于本公开内容的新的混合醚电解质的活性金属电池可以展示耐
久的循环寿命、高能量密度和高安全性。
[0025]在一些实施方案中，本公开内容的混合醚电解质还可以包含一种或更多种氟化醚以提供一种或更多种功能，诸如用作稀释溶剂以降低电解质盐浓度、降低电解质的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种混合醚电解质，包含：至少一种盐，其包含总数目的活性金属的阳离子M，其中所述活性金属具有溶剂化数SN；以及非氟化混合醚共溶剂体系，其由至少一种非氟化环醚和至少一种非氟化线性醚组成，其中所述非氟化混合醚共溶剂体系具有总数目的氧原子O；并且其中所述至少一种盐和所述非氟化混合醚共溶剂体系以相应的量存在，所述相应的量使得所述混合醚电解质具有在约1:(SN
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3)至约1:(SN+3)的范围内的M:O摩尔比。2.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述M:O摩尔比在约1:(SN
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2)至约1:(SN+2)的范围内。3.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述M:O摩尔比在约1:(SN
‑
0.5)至约1:(SN+0.5)的范围内。4.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述M:O摩尔比是约1:SN。5.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且所述M:O摩尔比在约1:1至约1:7的范围内。6.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且所述M:O摩尔比在约1:2至约1:5的范围内。7.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且所述M:O摩尔比在约1:3.5至约1:4.5的范围内。8.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且所述M:O摩尔比是约1:4。9.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述混合醚电解质具有在约3.5摩尔/升至约5摩尔/升的范围内的总盐相对于非氟化混合醚共溶剂体系的浓度。10.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述混合醚电解质具有在约3.5摩尔/升至约4.5摩尔/升的范围内的总盐相对于非氟化混合醚共溶剂体系的浓度。11.根据权利要求10所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂。12.根据权利要求1所述的混合醚电解质，还包含一种或更多种氟化醚。13.根据权利要求12所述的混合醚电解质，其中所述混合醚电解质具有在约70:30至约40:60的范围内的所述非氟化混合醚共溶剂体系与所述一种或更多种氟化醚的体积比。14.根据权利要求12所述的混合醚电解质，其中所述混合醚电解质具有在约65:35至约55:45的范围内的所述非氟化混合醚共溶剂体系与所述一种或更多种氟化醚的体积比。15.根据权利要求1所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且至少一种非氟化环醚选自由以下组成的组：1,4
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二氧六环、1,3
‑
二氧六环、四氢吡喃、四氢呋喃、1,3
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二氧戊环、2,4
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二甲基四氢呋喃、3,4
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二甲基四氢呋喃、2,5
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二甲基四氢呋喃、2,2
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二甲基四氢呋喃、3,3
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二甲基四氢呋喃、2
‑
甲基四氢呋喃、3
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甲基四氢呋喃和2
‑
乙基
‑5‑
甲基四氢呋喃。16.根据权利要求1或15所述的混合醚电解质，其中所述活性金属是锂，并且至少一种非氟化线性醚选自由以下组成的组：甲基丙基醚、甲基丁基醚、乙基丙基醚、乙基丁基醚、丙基丁基醚、二乙醚、二丙醚、二丁醚、1,2
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二乙氧基乙烷、1,2
‑
二甲氧基乙烷、1,2
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二丙氧基乙烷和1,2
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二丁氧基乙烷、双(2
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甲氧基乙基)醚和2
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乙氧基乙基醚以及双[2
‑
(2
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，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：