【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】耐燃性准固体电解质和固态电解质、锂电池及制造方法
[0001]领域
[0002]本公开内容提供了耐火性/耐燃性电解质和包含这样的电解质的锂电池(锂离子电池和锂金属电池)。
[0003]背景
[0004]可再充电锂离子(Li离子)和锂金属电池(例如,锂
‑
硫电池、锂硒电池和Li金属
‑
空气电池)被认为是电动交通工具(EV)、混合动力交通工具(HEV)和便携式电子装置诸如笔记本电脑和移动电话的有前景的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属插入的化合物(metal
‑
intercalated compound)(除了Li
4.4
Si,其具有4,200mAh/g的比容量)相比,作为金属元素的锂具有最高的锂储存容量(3,861mAh/g)。因此,一般来说,Li金属电池(具有锂金属阳极)比锂离子电池(具有石墨阳极)具有明显更高的能量密度。
[0005]然而,用于锂离子电池和所有锂金属二次电池的电解质引起一些安全问题。大多数有机液体电解质可以引起热失控或爆炸问题。
[0006]离子液体(IL)是新类别的纯粹离子的盐样材料,其在异常低的温度是液体。IL的官方定义使用水的沸点作为参考点:“离子液体是在低于100℃时是液体的离子化合物”。特别有用的并且科学上有趣的类别的IL是室温离子液体(RTIL),其指的是在室温或低于室温时是液体的盐。RTIL还被称为有机液体盐或有机熔融盐。RTIL的公认定义是具有低于环境温度的熔化温度的任何盐。
[0007] ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种可再充电锂电池,包括阳极、阴极和与所述阳极和所述阴极离子连通的准固体电解质或固态电解质,其中所述电解质包含聚合物,所述聚合物是反应性添加剂的聚合产物或交联产物,其中所述反应性添加剂包括至少一种可聚合液体溶剂、溶解在所述可聚合液体溶剂中的锂盐、以及交联剂和/或引发剂;其中所述可聚合液体溶剂选自由具有聚合不饱和度的氟化单体、砜、硫化物、腈、磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯、磷腈、硫酸酯、硅氧烷、硅烷及其组合组成的组;并且其中所述可聚合液体溶剂的按重量计或按体积计至少30%被聚合。2.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述锂盐占按重量计0.1%
‑
30%,所述可聚合液体溶剂占按重量计1%
‑
90%,并且所述交联剂和/或所述引发剂占按重量计0.1%
‑
50%,全部基于组合的所述锂盐、所述交联剂和/或所述引发剂和所述可聚合液体溶剂的总重量。3.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述电解质表现出当在20℃测量时小于0.001kPa的蒸气压、小于在没有所述聚合的情况下单独的所述液体溶剂和锂盐的蒸气压的10%的蒸气压、比单独的所述液体溶剂的闪点高至少100℃的闪点、高于200℃的闪点、或没有可测量的闪点,并且其中所述聚合物具有在室温从10
‑8S/cm至10
‑2S/cm的锂离子传导率。4.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述反应性添加剂包括第一可聚合液体溶剂和第二液体溶剂,并且其中所述第二液体溶剂是不可聚合的或者与所述第一可聚合液体溶剂相比在较小的程度上被聚合。5.根据权利要求4所述的可再充电锂电池,其中所述第二液体溶剂选自氟化碳酸酯、氢氟醚、氟化酯、砜、腈、磷酸酯、亚磷酸酯、烷基膦酸酯、磷腈、硫酸酯、硅氧烷、硅烷、1,3
‑
二氧戊环(DOL)、1,2
‑
二甲氧基乙烷(DME)、四乙二醇二甲醚(TEGDME)、聚(乙二醇)二甲醚(PEGDME)、二乙二醇二丁醚(DEGDBE)、2
‑
乙氧基乙醚(EEE)、砜、环丁砜、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸二乙酯(DEC)、丙酸乙酯、丙酸甲酯、碳酸亚丙酯(PC)、γ
‑
丁内酯(γ
‑
BL)、乙腈(AN)、乙酸乙酯(EA)、甲酸丙酯(PF)、甲酸甲酯(MF)、甲苯、二甲苯、乙酸甲酯(MA)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸烯丙基乙酯(AEC),或其组合。6.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述氟化单体选自由氟化碳酸乙烯基酯、氟化乙烯基单体、氟化酯、氟化乙烯基酯和氟化乙烯基醚及其组合组成的组。7.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述砜或所述硫化物选自乙烯基砜,烯丙基砜,烷基乙烯基砜,芳基乙烯基砜,乙烯基硫醚,TrMS、MTrMS、TMS、EMS、MMES、EMES、EMEES的含乙烯基的变体,或其组合:
8.根据权利要求7所述的可再充电锂电池,其中所述乙烯基砜或所述硫化物选自乙基乙烯基硫醚、烯丙基甲基硫醚、苯基乙烯基硫醚、苯基乙烯基亚砜、烯丙基苯基砜、烯丙基甲基砜、二乙烯基砜或其组合,其中所述乙烯基砜不包括甲基亚乙基砜和乙基乙烯基砜。9.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述腈包括二腈或者选自AND、GLN、SEN或其组合:10.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述磷酸酯选自带有膦酸酯部分的烯丙基型单体、乙烯基型单体、苯乙烯型单体和(甲基)丙烯酸型单体。11.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述磷酸酯、膦酸酯、膦酸、磷腈或亚磷酸酯选自TMP、TEP、TFP、TDP、DPOF、DMMP、DMMEMP、三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯(TTSPi)、烷基磷酸酯、磷酸三烯丙酯(TAP)、其组合,其中TMP、TEP、TFP、TDP、DPOF、DMMP、DMMEMP和磷腈具有以下化学式:
其中R=H、NH2或C1‑
C6烷基。12.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述硅氧烷或硅烷选自烷基硅氧烷(Si
‑
O)、烷基硅烷(Si
‑
C)、液体低聚硅氧烷(
‑
Si
‑
O
‑
Si
‑
)或其组合。13.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述反应性添加剂还包括选自N,N
‑
二甲基乙酰胺、N,N
‑
二乙基乙酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二乙基甲酰胺或其组合的酰胺基团。14.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述交联剂包括在分子中具有至少一个反应性基团的化合物,所述至少一个反应性基团选自羟基基团、氨基基团、亚氨基基团、酰胺基团、丙烯酰胺基团、胺基团、丙烯酸基团、丙烯酸酯基团或巯基基团。15.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述交联剂选自聚(二乙醇)二丙烯酸酯、聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯、聚(二乙醇)二甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)二丙烯酸酯或其组合。16.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述引发剂选自偶氮化合物、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、过氧化苯甲酰叔丁基过氧化物和过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酰(BPO)、双(4
‑
叔丁基环己基)过氧化二碳酸酯、过氧化新戊酸叔戊酯、2,2
’‑
偶氮双
‑
(2,4
‑
二甲基戊腈)、2,2
’‑
偶氮双
‑
(2
‑
甲基丁腈)、1,1
‑
偶氮双(环己烷
‑1‑
腈)、过氧化苯甲酰(BPO)、过氧化氢、过氧化十二烷酰、过氧化异丁酰、氢过氧化枯烯、过氧化新戊酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、六氟磷酸锂(LiPF6)、氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)、双
‑
三氟甲基磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、双(草酸)
硼酸锂(LiBOB)、草酰二氟硼酸锂(LiBF2C2O4)、草酰二氟硼酸锂(LiBF2C2O4),或其组合。17.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述锂盐选自高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、氟硼酸锂(LiBF4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)、双
‑
三氟甲基磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)、双(草酸)硼酸锂(LiBOB)、草酰二氟硼酸锂(LiBF2C2O4)、硝酸锂(LiNO3)、氟烷基磷酸锂(LiPF3(CF2CF3)3)、双全氟乙基磺酰亚胺锂(LiBETI)、双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂、双(氟磺酰基)酰亚胺锂、三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、离子液体锂盐,或其组合。18.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述电解质还包含阻燃添加剂,所述阻燃添加剂选自卤化阻燃剂、基于磷的阻燃剂、三聚氰胺阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂、基于硅的阻燃剂、磷酸盐阻燃剂、生物分子阻燃剂,或其组合。19.根据权利要求14所述的可再充电锂电池,其中所述阻燃添加剂呈包含所述添加剂的包封的颗粒的形式,所述添加剂由大体上不可渗透锂离子并且不可渗透液体电解质的包覆材料的壳包封,其中当暴露于高于阈值温度的温度时,所述壳是易碎的。20.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述聚合物与第二聚合物形成混合物、共聚物、半互穿网络或同步互穿网络,所述第二聚合物选自聚(环氧乙烷),聚环氧丙烷,聚(乙二醇),聚(丙烯腈),聚(甲基丙烯酸甲酯),聚(偏二氟乙烯),聚双甲氧基乙氧基乙醇盐
‑
磷腈,聚氯乙烯,聚二甲基硅氧烷,聚(偏二氟乙烯)
‑
六氟丙烯,氰乙基聚(乙烯醇),基于季戊四醇四丙烯酸酯的聚合物,脂族聚碳酸酯,具有羧酸根阴离子、磺酰亚胺阴离子或磺酸根阴离子的单一Li
‑
离子传导固体聚合物电解质,聚(乙二醇)二丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基醚丙烯酸酯的交联的电解质,其磺化的衍生物,或其组合。21.根据权利要求1所述的电解质,其中所述聚合物还包括呈具有从2nm至30μm的粒度的细粉末形式的无机固体电解质材料,其中所述无机固体电解质材料的颗粒分散在所述聚合物中或被所述聚合物化学结合。22.根据权利要求17所述的电解质,其中所述无机固体电解质材料的颗粒选自氧化物类型、硫化物类型、氢化物类型、卤化物类型、硼酸盐类型、磷酸盐类型、锂磷氧氮化物(LiPON)、石榴石类型、锂超离子导体(LISICON)类型、钠超离子导体(NASICON)类型,或其组合。23.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,所述可再充电锂电池是锂金属二次电池、锂离子电池、锂
‑
硫电池、锂离子硫电池、锂
‑
硒电池或锂
‑
空气电池。24.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,其中所述阴极包括阴极活性材料,所述阴极活性材料选自锂镍锰氧化物(LiNi
a
Mn2‑
a
O4,0<a<2)、锂镍锰钴氧化物(LiNi
n
Mn
m
Co1‑
n
‑
m
O2,0<n<1,0<m<1,n+m<1)、锂镍钴铝氧化物(LiNi
c
Co
d
Al1‑
c
‑
d
O2,0<c<1,0<d<1,c+d<1)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、锂锰氧化物(LiMnO2)、锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍钴氧化物(LiNi
p
Co1‑
p
O2,0<p<1)或锂镍锰氧化物(LiNi
q
Mn2‑
q
O4,0<q<2)。25.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,所述可再充电锂电池是锂离子电池,其中所述阳极包括阳极活性材料,所述阳极活性材料选自由以下项组成的组:(a)硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、磷(P)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)和镉(Cd);(b)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Ni、Co或Cd与其他元素的合金或金属间化合物;(c)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Fe、Ni、Co、V或Cd的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷
化物、硒化物和碲化物,以及它们的混合物、复合物或含锂的复合物;(d)Sn的盐和氢氧化物;(e)钛酸锂、锰酸锂、铝酸锂、铌酸钛锂、含锂的钛氧化物、锂过渡金属氧化物、ZnCo2O4;(f)碳或石墨颗粒;(g)其预锂化的形式;及(h)其组合。26.根据权利要求1所述的可再充电锂电池,还包括设置在所述阳极和所述阴极之间的隔板,其中所述隔板包含所述准固体电解质或固态电解质。27.一种产生根据权利要求1所述的可再充电锂电池的方法,所述方法包括:a.将阳极、任选的隔板层、阴极和保护性外壳组合以形成电池;b.将反应性液体电解质组合物引入到所述电池中,其中所述反应性液体电解质组合物至少包含第一可聚合液体溶剂、溶解在所述第一可聚合液体溶剂中的锂盐、交联剂和/或引发剂,并且其中所述可聚合液体溶剂选自由氟化碳酸酯、氢氟醚、氟化酯、砜、腈、磷酸酯、亚磷酸酯、烷基膦酸酯、磷腈、硫酸酯、硅氧烷、硅烷及其组合组成的组;以及c.使所述液体溶剂部分地或全部地聚合以获得准固体电解质或固态电解质,其中所述第一可聚合液体溶剂的按重量计至少30%被聚合。28.根据权利要求27所述的方法,其中所述反应性液体电解质组合物还包含第二液体溶剂,并且子工艺(c)不使所述第二液体溶剂聚合,或者与所述第一可聚合液体溶剂相比在不同的程度上使所述第二液体溶剂聚合。29.一种产生根据权利要求1所述的可再充电锂电池的方法,所述方法包括:A)将阴极活性材料的颗粒、任选的导电添加剂、任选的粘合剂、反应性添加剂和锂盐混合以形成阴极,其中所述反应性添加剂至少包括第一可聚合液体溶剂和交联剂或引发剂;B)提供阳极;C)将所述阴极和所述阳极组合以形成电池;以及D)在子工艺(C)之前或之后使所述第一可聚合溶剂部分地或全部地聚合,以产生所述可再充电锂电池,其中所述第一液体溶剂的按重量计至少30%被聚合。30.根据权利要求29所述的方法,其中子工艺(B)包括将阳极活性材料的颗粒、任选的导电添加剂、任选的粘合剂、反应性添加剂和锂盐混合以形成阳极的程序,其中所述反应性添加剂至少包括可聚合液体溶剂和交联剂或引发剂,并且其中所述方法还包括在子工艺(C)之前或之后使所述反应性添加剂聚合和/或交联,以产生所述可再充电锂电池。31.根据权利要求29所述的方法,其中子工艺(A)还包括在所述阴极中或在所述阳极中添加无机固体电解质粉末的颗粒。32.根据权利要求29所述的方法,还包括将第二液体溶剂注入到所述电池中的子工艺(e)。33.一种产生可再充电锂电池的方法,所述方法包括:(A)将阳极、任选的隔板层、阴极和保护性外壳组合以形成电池;(B)将反应性添加剂引入到所述阳极、所述阴极或大体上整个电池中,其中所述反应性添加剂包括至少一种可聚合液体溶剂、第二液体溶剂和用于所述第一溶剂和/或所述第二溶剂的交联剂或引发剂;以及(C)使所述反应性添加剂部分地或全部地聚合和/或交联以产生所述可再充电锂电池,其中所述第一液体溶剂和所述第二溶剂在不同的程度上被聚合或交联。34.根据权利要求27所述的方法,其中所述聚合和/或交联的程序包括将所述反应性添
加剂暴露于热、紫外线、高能辐射或其组合。35.根据权利要求29所述的方法,其中所述聚合和/或交联的程序包括将所述反应性添加剂暴露于热、紫外线、高能辐射或其组合。36.一种可再充电锂电池,包括阳极、阴极和与所述阳极和所述阴极离子连通的准固体电解质或固态电解质,其中所述电解质包含聚合物,所述聚合物是反应性添加剂的聚合产物或交联产物,其中所述反应性添加剂包括(i)可聚合的第一液体溶剂,(ii)引发剂或固化剂,(iii)锂盐,以及(iv)第二液体溶剂;其中基于所述反应性添加剂的总重量,所述第一液体溶剂占按重量计从1%至99%,并且所述第二溶剂占按重量计从0.1%至99%;其中与所述第二液体溶剂相比,所述第一液体溶剂具有更低的闪点、更高的蒸气压、更高的介电常数或更高的锂盐溶解度;并且其中所述聚合物存在于所述阳极或所述阴极中的至少一个中。37.根据权利要求36所述的可再充电锂电池,其中所述第一液体溶剂选自碳酸亚乙烯酯、碳酸亚乙酯、氟代碳酸亚乙酯、亚硫酸乙烯酯、乙烯基亚硫酸亚乙酯、乙烯基碳酸亚乙酯、1,3
‑
丙基磺内酯、1,3
‑
丙烯酸磺内酯、甲基亚乙基砜、甲基乙烯基砜、乙基乙烯基砜、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺、1,3
‑
...
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