[发明专利]含有三元低共熔混合物的二次电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有三元低共熔混合物(TEM)的电池用电解质， 以及一种通过使用上述电解质而具有改进的安全性和质量的二次电 池。

背景技术

近来，能量存储技术越来越引起人们的兴趣。随着电池的使用扩 大到手提电话、可携式摄像机、笔记本电脑、个人电脑以及电动车辆 的储能应用中，人们对电池的研发也越来越具体化。鉴于此，充电/ 放电的二次电池领域受到了极大的关注，其中，具有高能量密度和长 周期寿命的锂二次电池的开发成了人们感兴趣的焦点。

通常，锂二次电池包括一种锂金属氧化物作为阴极活性材料，一 种碳质材料或锂金属合金作为阳极活性材料，和一种含有溶解于有机 溶剂的锂盐的溶液作为电解质。在作为阴极活性材料的锂金属氧化物 中，其结构稳定性及容量随着锂离子的嵌入和脱出而改变。当充电电 压升高时容量增加，但化合物会变得结构不稳定。这种电极结构的不 稳定性可能产生氧，从而导致电池内部过热，或通过与电解质的反应 引起电池爆炸。

近年来广泛应用的有机溶剂包括碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、乙基 甲基碳酸酯、二甲氧基乙烷、γ-丁内酯(GBL)、N，N-二甲基甲酰胺、 四氢呋喃或乙腈。然而，这些有机溶剂挥发性非常强，易引起蒸发且 易燃性高，因此当用于锂离子二次电池时，在过充电、过放电、短路 和高温的条件下，稳定性方面就会出问题。

最近，主要在日本和美国，人们已经做出很多尝试以解决上述问 题，包括用不可燃的离子液体作电解质。但这种不可燃的离子液体还 没能在实际中应用，因为当这种不可燃的离子液体与使用碳基材料和 /或锂金属的阳极一起使用时，在较高的电压下离子液体会先于锂金 属离子被还原，或由于离子液体的高粘度使得锂离子的电导率下降。 因此，为克服常规有机电解质和离子液体的这些缺点，人们已进行了 多种尝试来改变电极活性材料或开发含有添加剂的新电解质。

发明内容

技术问题

因此，本发明是基于上述问题做出的。本发明的发明人进行了许 多研究，以通过使用具有出色的热稳定性和化学稳定性的、有成本效 益的低共熔混合物来提供一种二次电池用电解质。

然而，我们已认识到当含有低共熔混合物的电解质与常规的基于 碳质材料的阳极结合使用时，由于在超出低共熔混合物的化学窗口的 电位(Li/Li⁺)下发生电化学的反应使得电解质分解，从而导致电池 质量下降。

本发明的发明人发现，向低共熔混合物中加入一定量的碳酸酯基 化合物(carbonate-based compound)可以防止电解质，包括低共熔 混合物在超出低共熔混合物的电化学窗口的电位(Li/Li⁺)下发生分解， 此中，碳酸酯基化合物的高挥发性和可燃性降至最低，从而可充分显 示出低共熔混合物的阻燃性、化学稳定性和高导电性。本发明正是基 于这些事实。

技术方案

本发明的一个方面提供了一种二次电池，包括一个阴极、一个阳 极、一个隔膜以及一种电解质，以及一种用于电池的电解质，其中所 述电解质包括一种通过向含有(a)含酰胺基团的化合物和(b)一种 可电离的锂盐的低共熔混合物中加入(c)一种碳酸酯基化合物而制备 的三元低共熔混合物，其中所述碳酸酯基化合物的含量低于50重量 份，基于100重量份的电解质计。

在下文中，将对本发明进行更详细的说明。

本发明的二次电池包含作为电解质的三元低共熔混合物(TEM)， 它是通过向低共熔混合物中加入一定量的(例如，低于50重量份)碳 酸酯基化合物制备的。

常规的碳酸酯基化合物由于其高挥发性会引起电解质的蒸发和耗 尽，而且由于其高易燃性会显著降低电池的热稳定性。然而在本发明 中，尽管碳酸酯基化合物也用作三元低共熔化合物的一种构成成分， 但碳酸酯基化合物的含量已调整至一定的范围内，从而将其可燃性降 至最低，并增加其阻燃性。因此，它可以确保电池的热稳定性。

事实上，已发现虽然本发明使用了碳酸酯基化合物，但阻燃性表 现在相对自熄时间(1-SET_TEM/SET_C)满足0.67＜1-SET_TEM/SET_C＜1 的范围(见图1)。