[发明专利]非水电解溶液以及包含该电解溶液的电化学电池系统

说明书

发明领域

本发明涉及一种非水电解溶液和包含该电解溶液的电化学储能装置。更具体地，本发明涉及包含(a)一种或多种溶剂；(b)一种或多种离子盐；和(c)一种或多种添加剂的非水电解溶液。非水电解溶液能够保护能够保护诸如储能电化学电池(例如，锂金属电池、锂离子电池和超电容器)中的锂金属和碳质材料的负电极材料，该电解溶液包括电介质盐、非水电解溶剂混合物、不饱和有机化合物4-亚甲基-1，3-二氧杂环戊-2-酮或4，5-二亚甲基-1，3-二氧杂环戊-2-酮以及其它的可选添加剂。1，3-二氧环戊-2-酮有助于在负电极表面上形成良好的固体电解质界面。

背景技术

现有锂离子电池通常使用含六氟磷酸锂(LiPF₆)作为溶质和环碳酸酯与线性碳酸酯的混合物作为溶剂的电解质。碳酸亚乙酯(EC)是用于在负电极的表面上形成稳定固体电解质界面膜(SEI)所必不可少的环状碳酸酯，使得良好的电池性能可以实现或得到提供，尤其是循环寿命长。

然而，在许多情况下，由简单配制的传统电解质，例如在碳酸酯与线性碳酸酯的混合物中的LiPF₆所获得的SEI保护在锂离子电池中是不足的，在该锂离子电池中，负电极材料是碳质材料包括石墨碳或非石墨碳，例如便宜的天然石墨(一种石墨碳)和硬质碳(一种无定形非石墨碳)，其显示出更高的充电容量，但在随后的循环中很快丧失容量。

另一方面，EC具有高熔点，在约36-38℃下，这限制了包含EC基电解质的锂离子电池的性能，在低温度应用中。添加大量低粘度和低熔点的共溶剂例如线性碳酸酯和羧酸酯可以在低温下提高电池的性能。不幸的是，这些共溶剂具有低的沸点且是高度易燃的，这导致在高温应用中出现安全问题。因此，具有类似于EC的结构的碳酸亚丙基酯(PC)已经被认为完全或部分替代EC，为了减少其它共溶剂在电解质溶液中的量，因为PC在-55℃～240℃的宽温度范围内保持液体状态。然而，LiPF₆-PC基电解质与锂离子电池中的石墨电极不兼容，由于石墨结构因PC插层而导致的剥离。

因此，在电解质中需要一种或多种其他化合物，无论是有机化合物或者无机化合物，以在无序的石墨电极或其它碳质电极上形成更好的SEI膜，从而进一步防止或减少溶剂分子在长寿命期间的分解，并且防止PC插层到石墨结构中，从而改善使用天然石墨或硬质碳作为负电极且在电解质中包含PC的锂离子电池的性能。

三洋电机有限公司(Sanyo Electric Co.，Ltd)在日本专利JP 04095362和欧洲专利EP 490048公开了使用碳酸亚乙烯酯作为锂离子电池的电解液中的共溶剂。由SAFT的Bernard Simon和Jean-PierreBoeuve在美国专利US 5,626,981中公开了使用0.01wt％～10wt％的碳酸亚乙烯酯及其衍生物作为电解溶液中的添加剂，以在插入任何溶剂化的锂离子之前帮助在碳质阳极上产生钝化层。所述钝化层构成防止在锂离子周围插入溶剂分子的物理屏障，由此锂离子可以自身渗透碳质材料且防止发生剥离。

Sanyo Denki的Seiji Yoshimura等人在日本专利公开JP 04087156中公开了使用具有不饱C-C键的电解质溶剂例如碳酸亚乙烯酯的锂离子电池具有低的自放电。三菱化学公司(Mitsubishi Chemical Corporation)的Minru Kotato等人在WO 2000/079632中公开了包含0.0l～20wt％碳酸亚乙烯酯的溶剂使所述电解质的沉积最小化，且可以提供高的容量以及优异的储存性能和循环寿命性能。

松下电器公司(Matsushita Electric Industrial Co.，Ltd)的YoshinoriToyoguchi等人在日本专利公开JP62290072中公开了使用在4-和/或5-位置具有Cl-和/或F-取代基的1，3-二氧杂环戊-2-酮作为二次电池的电解液溶剂。Roderick S.McMillan和同事在WO9815024中公开了氟代碳酸亚乙酯(FEC)能够形成非常稳定的不溶于电解液中的钝化膜，这基本上改善了二次电池效率和高的容量保持率。

Kang Xu和其同事在Electrochemical and Solid-State Letter(2002)，5(11)，A259-A262中报道了双(草酸)硼酸锂(即LiBOB)可以稳定含有碳酸异丙酯(PC)的电解液中的石墨阳极材料，而支持可逆的Li离子嵌入/脱离，对于其它的电解质盐仍然没有观测到的行为。石墨在PC中的脱离被防止。