用于锂离子电池的环状砜添加剂制造技术

公开了适用于电化学能量存储装置的环状砜有机化合物和含有该环状砜有机物的电解质，该环状砜有机化合物可用于降低电池电阻，提高循环寿命，以及改善高温性能。以及改善高温性能。以及改善高温性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂离子电池的环状砜添加剂
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求享有于2020年9月29日提交的美国临时专利申请No.63/084,911的权益，其全文通过引用并入本文。


[0003]本公开内容涉及环状砜官能化有机化合物，该环状砜官能化有机化合物用于降低电池电阻增长、提高循环寿命、改善高温性能；含有该环状砜有机化合物的电解质；以及包含该电解质的电化学能量存储装置。

技术介绍

[0004]Li离子电池广泛用于消费电子产品、电动汽车(EV)以及能量存储系统(ESS)和智能电网。然而，由于氧化作用的增加，阴极材料在高电位下的稳定性会降低。这可导致材料发生电化学氧化，从而产生气体，而这会降低电池性能。能够嵌入/脱嵌Li离子的阴极活性材料可能溶解在非水性电解质中，导致材料的结构被破坏，并将导致界面电阻增加。这些Li离子电池在运行期间通常也会暴露于极端温度。在阳极上形成的SEI(固体电解质界面)层在高温下会逐渐分解，并因此导致更不可逆的反应，造成容量损失。类似地，CEI(阴极电解质界面)也会在高温下由于与电解质组分发生反应而失去稳定性。这些反应在循环过程中发生在正电极和负电极上，但由于动力学更快，因此在较高的温度下通常会更严重。用于消费电子产品、EV和ESS的下一代Li离子电池将需要电解质组分相对于Li离子电池的当前技术水平的显著改进。
[0005]使正离子和负离子在电池电极之间穿梭是电解质的主要功能。历史上，研究人员一直专注于开发电池电极，而电解质的开发十分有限。传统的Li离子电池使用可传输Li离子的具有大电化学窗口的基于碳酸盐的电解质。这些电解质需要用于钝化阳极并形成稳定SEI的功能性添加剂，以及用于稳定阴极的添加剂。
[0006]随着行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稳定、高效且安全的循环是必要的。Li离子电池电解质可根据其应用，通过添加不同的助溶剂和添加剂来进行调整。这种可调性使得可开发用于Li离子电池的高压稳定性和安全性的不同添加剂。高压Li离子电池电解质开发的另外的方面是设计和优化通过聚合反应形成CEI来稳定阴极的添加剂。这种添加剂的开发可实现更高能量的阴极材料，并因此可提高Li离子电池的能量存储能力。
[0007]Li离子电解质添加剂开发的另外的方面是通过在较低电压下形成稳定的SEI膜来实现更快的成形(formation)。在传统的Li离子电池中，需要缓慢成形以形成稳定的阳极SEI，因此电池成形是电池制造中时间密集(time
‑
intensive,耗时)的工艺之一。因此，在低电压下在常规Li离子电池阳极材料上反应的添加剂是使Li离子电池制造能够节省大量时间的关键。
[0008]本文报道了环状砜有机化合物作为用于Li离子电池的多功能添加剂。具有这些官
能团作为电解质添加剂的分子允许在成形循环期间形成保护阳极的坚固SEI。分子结构中的官能团还保护阴极免于高温和高压下的分解。在电解质中具有此添加剂的电池能够实现安全、循环寿命长和高能量的Li离子电池。
[0009]Detty等人(J.Org.Chem.1995,60,6,1674
–
1685)将环状砜官能化有机化合物描述为有用的电子传输材料。LG化学(LG Chem.)的美国专利No.8119292和美国专利No.9905325教导我们在电池电解质中使用磺酸内酯基分子，可用于循环寿命和高温存储应用。三星SDI(Samsung SDI)的美国专利No.9437901B2、No.9847549B2和No.9660295B2教导了选择腈取代的磷酸盐用于电池电解质的用途。因此，需要在电解质添加剂中结合这些功能，以应用于电化学能量存储装置，特别是电池。

技术实现思路

[0010]根据本公开内容的一个方面，提供了用于电化学能量存储装置的电解质，该电解质包含：环状砜有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；以及金属盐。
[0011]根据本公开内容的另一方面，提供了用于电化学能量存储装置的电解质，该电解质包含：环状砜有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；以及至少一种另外的添加剂。
[0012]根据本公开内容的另一方面，提供了电化学能量存储装置，该装置包括：阴极；阳极；包含环状砜有机化合物添加剂、非质子有机溶剂体系和金属盐的电解质，以及隔板。
[0013]根据本公开内容的另一方面，提供了用于电化学能量存储装置的电解质，该电解质包含：环状砜有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；以及至少一种另外的添加剂；其中，该非质子有机溶剂包含开链或环状碳酸酯、羧酸酯、亚硝酸酯、醚、砜、亚砜、酮、内酯、二氧戊环、甘醇二甲醚(glyme)、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，提供了用于电化学能量存储装置的电解质，该电解质包含：环状砜有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；以及至少一种另外的添加剂；其中该金属盐的阳离子是铝、镁或碱金属(例如，锂或钠)。
[0015]根据本公开内容的另一方面，提供了用于电化学能量存储装置的电解质，该电解质包含：环状砜有机化合物添加剂；非质子有机溶剂体系；金属盐；以及至少一种另外的添加剂；其中该另外的添加剂包括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，提供了电化学能量存储装置，该装置包括：
[0017]非质子有机溶剂体系；
[0018]金属盐；以及
[0019]根据以下分子结构的至少一种环状砜有机化合物添加剂：
[0020][0021]其中：
[0022]R3是吸电子基团，或其中至少一个氢被吸电子基团取代的C1‑
C
12
线型或支化烷基基团；并且
[0023]R1、R2、R4、R5各自独立地为氢、C1‑
C
12
线型或支化、取代或未取代的烷基和氟烷基基团，或C6‑
C
14
芳基基团，其中氢原子可未被取代，或者可为卤素、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、醚和硫醚基团或其组合。
[0024]根据本公开内容的另一方面，提供了电化学能量存储装置，该装置包括阴极、阳极、本文所公开的电解质，以及隔板。
[0025]在阅读以下具体实施方式及其所附权利要求之后，本公开内容的这些和其他方面将变得显而易见。
附图说明
[0026]图1是示出了根据本公开内容在NMC811/Gr电池中测试的电解质的dQ/dV曲线的图；
[0027]图2示出了根据本公开内容在NMC811/Gr电池中测试的电解质的高温(45℃)循环寿命特性；
[0028]图3是示出了根据本公开内容在LCO/Gr电池中测试的电解质的dQ/dV曲线的图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电化学能量存储装置电解质，其包含：非质子有机溶剂体系；金属盐；以及根据以下分子结构的至少一种环状砜有机化合物添加剂：其中：R3是吸电子基团，或其中至少一个氢被吸电子基团取代的C1‑
C
12
线型或支化烷基基团；并且R1、R2、R4、R5各自独立地为氢、C1‑
C
12
线型或支化、取代或未取代的烷基和氟烷基基团，或C6‑
C
14
芳基基团，其中氢原子可未被取代，或者可为卤素、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、醚和硫醚基团，或其组合。2.如权利要求1所述的电解质，其中，所述吸电子基团是卤素、氰基、羰基、磺酰基、硝基或卤代烷基基团。3.如权利要求1所述的电解质，其中，所述至少一种环状砜有机化合物添加剂是以下中的至少一种：4H
‑
1,1
‑
二氧代
‑
2,6
‑
(苯基)
‑4‑
(二氰基甲撑)硫代吡喃；4H
‑
1,1
‑
二氧代
‑
2,6
‑
(4
‑
氟苯基)
‑4‑
(二氰基甲撑)硫代吡喃；4H
‑
1,1
‑
二氧代
‑2‑
苯基
‑6‑
(4
‑
甲基苯基)
‑4‑
(二氰基甲撑)硫代吡喃；4H
‑
1,1
‑
二氧代
‑
2,6
‑
二(4
‑
三氟甲基苯基)
‑4‑
(二氰基甲撑)硫代吡喃；和4H
‑
1,1
‑
二氧代
‑
2,6
‑
二(2
‑
噻吩基)
‑4‑
(二氰基甲撑)硫代吡喃。4.如权利要求1所述的电解质，其中，所述至少一种环状砜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。5.如权利要求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。6.如权利要求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。7.如权利要求1所述的电解质，其中，所述金属盐的阳离子是碱金属。8.如权利要求7所述的电解质，其中，所述碱金属是锂或钠。9.如权利要求1所述的电解质，其中，所述金属盐的阳离子是铝或镁。10.如权利要求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。11.如权利要求1所述的电解质，该电解质进一步包含至少一种另外的添加剂。12.如权利要求11所述的电解质，其中，所述至少一种另外的添加剂包括含硫化合物、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。
13.如权利要求11所述的电解质，其中，所述至少一种另外的添加剂包括部分或完全卤化的磷酸酯化合物、离子液体或其混合物。14.如权利要求13所述的电解质，其中，所述部分或完全卤化的磷酸酯化合物是4
‑
氟苯基二苯基磷酸酯、3,5
‑
二氟苯基二苯磷酸酯、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。15.如权利要求13所述的电解质，其中，所述离子液体是三(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。16.如权利要求11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。17.一种电化学能量存储装置，其包括：阴极；阳极；根据权利要求1所述的电解质；以及隔板。18.如权利要求17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、碳包覆橄榄石、氧化钒、过氧化锂、硫、多硫化物、锂一氟化碳或其混合物。19.如权利要求17所述的装置，其中，所述锂金属氧化物是LiCoO2、LiNiO2、LiNi
x
Co

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
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：