[发明专利]用于高电压阴极的氧化还原梭

说明书

相关专利申请

本专利申请要求提交于2008年2月12日的美国临时专利申请No.61/027,963的优先权，藉此将该专利申请全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及为可充电电化学锂离子电池提供过充电保护。

背景技术

当恰当设计和构造时，可充电锂离子电池可表现出极好的充电-放电循环寿命，具有极少的记忆效应或无记忆效应，以及高的比能量和体积能量。然而，锂离子电池的确具有一些缺点，包括不能在循环寿命不劣化的情况下耐受再充电至电势超过制造商推荐的充电终止电势；电池再充电至电势超过推荐的充电终止电势时引起过热、不良热事件的危险；和难于制造对在用户应用中电气和机械的滥用具有足够耐受能力的大电池。单个和连接的(如串联的)锂离子电池通常整合有充电控制电子器件，以防止各个电池超过推荐的充电终止电势并保持电池间的电荷平衡。该电路增加了成本和复杂性，并且使人们不愿意将锂离子电池和电池组用于低成本大量销售的电气和电子装置例如闪光灯、收音机、CD播放器等中。

发明内容

需要可在高电压下工作并可为锂离子电化学电池和电池组提供过充电保护的稳固的高性能化学氧化还原梭。这些氧化还原梭的可获得性可使得可充电锂离子电池组能低成本大量销售应用，并加速在电动工具以及插入式混合动力电动汽车中的应用。

在一个方面，本发明提供了一种可再充电的电化学电池，其包括：具有至少一种电活性材料的正极，该电活性材料具有再充电电势；负极；包含电荷传输介质和电解质盐的电荷传输电解质；以及可循环的氧化还原化学梭，该氧化还原化学梭包含由至少一个叔烷基和至少一个卤代烷氧基取代的芳族化合物，溶于或可溶于电解质中并且具有的氧化电势高于所述正极至少一种电活性材料的再充电电势。

在另一个方面，本发明提供了一种可再充电的电化学电池，其包括：具有至少一种电活性材料的正极，该电活性材料具有再充电电势；负极；包含电荷传输介质和电解质盐的电荷传输电解质；以及可循环的氧化还原化学梭，该氧化还原化学梭包含烷氧基取代的氟萘化合物，溶于或可溶于电解质中并且具有的氧化电势高于所述正极至少一种电活性材料的再充电电势。

在另一个方面，本发明提供了一种可再充电的锂离子电池，其包括：具有至少一种电活性材料的正极，该电活性材料具有再充电电势并包含LiFePO₄、Li₂FeSiO₄、MnO₂、LiMn₂O₄、LiMnPO₄、LiCoO₂、LiNi_0.5Mn_1.5O₄、锂镍钴铝的混合金属氧化物(NCA)、锂锰镍钴的混合金属氧化物(MNC)，以上的组合，或它们的掺杂形式；包含石墨碳、锂金属、钛酸锂或锂合金的负极；以及电荷传输电解质，其包括包含碳酸乙二酯、碳酸丙二酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸甲乙酯或它们的组合的电荷传输介质以及具有高离子电导性的锂盐；以及可循环的氧化还原化学梭，其选自由至少一个叔烷基和至少一个卤代烷氧基取代的芳族化合物、烷氧基取代的氟萘化合物、八氟萘或它们的组合，其中该氧化还原梭溶于或可溶于所述电解质中，并且其中该氧化还原梭具有的氧化电势高于所述正极至少一种电活性材料的再充电电势。

另外，本发明提供了一种制备可再充电的电化学电池的方法，其包括：提供一种具有正极和负极的电池，该正极具有至少一种电活性材料，该电活性材料具有再充电电势；将包含电荷传输介质和电解质盐的电荷传输电解质与可循环的氧化还原化学梭加入该电池，该可循环的氧化还原化学梭选自由至少一个叔烷基和至少一个卤代烷氧基取代的芳族化合物、烷氧基取代的氟萘化合物或它们的组合，其中该氧化还原梭溶于或可溶于所述电解质中，并且其中该氧化还原梭具有的氧化电势高于所述正极至少一种电活性材料的再充电电势。

最后，本发明提供了一种电解质溶液，其包含电荷传输介质、电解质盐、可循环的氧化还原化学梭，该可循环的氧化还原化学梭选自由至少一个叔烷基和至少一个卤代烷氧基取代的芳族化合物、烷氧基取代的氟萘化合物或它们的组合，其中该氧化还原化学梭的可逆氧化电势相对于Li/Li+为约3.7V至约4.8V。

如本文所用：

“一个”、“一种”与“至少一种”可互换使用，意指一种或多种被描述的要素；

“充电”是指为电池提供电化学能量的过程；