[发明专利]含有芳族磷化合物的电池电解质溶液

说明书

本申请要求2008年12月23日提交的美国临时专利申请61/140,579的优先权。

本发明涉及含有芳族磷添加剂的非水性电解质溶液。

锂电池广泛地用作用于交通工具和许多种电子设备的一次和二次电池。这些电池趋向于具有高能量和功率密度，并且由于该原因，在许多应用中是有利的。在锂电池中的电解质溶液必须是非水性类型。非水性电解质溶液通常为锂盐在有机溶剂或有机溶剂混合物中的高电介质含量溶液。通常使用各种直链和环状碳酸酯，但是某些酯，烷基醚，腈，砜，环丁砜，磺内酯和硅氧烷也可以用作溶剂。在许多情况下，溶剂可以含有这些材料中的两种以上。聚合物凝胶电解质溶液也是已知的。

因为它们含有高浓度的有机材料，因此这些电解质溶液对高温敏感。它们可能分解，参与失控放热反应乃至在暴露于不当条件的情况下燃烧。已知锂电池由于过度充电、过度放电、短路条件和机械或热弊端而燃烧。除燃烧以外，还可能发生其它问题，包括：显著的电池寿命损失。因此，将添加剂结合到锂电池的电解质溶液中以帮助稳定电解质。

已经提出许多磷化合物作为用于电池电解质溶液的阻燃剂或“热失控抑制剂”。这些包括各种氧化膦(O:PR₃)，次亚磷酸酯(P(OR)R₂)，亚膦酸酯(P(OR₂)R)，亚磷酸酯(P(OR)₃)，次膦酸酯(O:P(OR)R₂)，膦酸酯(O:P(OR)₂R)，磷酸酯(O:P(OR)₃)和磷腈(-N＝PR₂-)_n化合物。

这些磷化合物并不完全是令人满意的。一些添加剂必须以很大的量添加以使其是有效的。另外一些添加剂与电解质溶液中的非水性溶剂，锂盐或其它添加剂相互作用，或与阳极或阴极材料相互作用。还有另外一些的添加剂对电池的性能有不利的影响。期望提供一种用于非水性电池电解质溶液的添加剂，该添加剂以合理的水平提供良好的稳定性，没有不利地与电解质溶液中的其它组分相互作用，或没有不利地与阳极或阴极相互作用，并且对电池性能几乎没有或没有不利的影响。

在一个方面中，本发明是一种电池电解质溶液，所述电池电解质溶液包含至少一种锂盐和所述锂盐可溶于其中的非水性溶剂，其中所述电池电解质溶液的重量的0.01至80％是至少一种由结构I表示的芳族磷化合物：

其中A¹是含有一个或多个芳环的基团；每一个R独立地为可以含有1，2或3个碳原子并且直接结合到A¹基团的芳环的碳原子上的亚烷基二价基团(diradical)；每一个R¹独立地为氢，卤素，OH，具有至多12个碳原子的烃基，或具有至多12个碳原子的烷氧基；或连接至相同的磷原子的两个R¹基团可以一起形成包含该磷原子的环结构；并且x是至少2的整数。

本发明还是一种电池，所述电池包括阳极，阴极，设置在阳极和阴极之间的隔板，和与所述阳极和所述阴极接触的非水性电池电解质溶液，其中所述电池电解质溶液包含至少一种锂盐，所述锂盐可溶于其中的非水性溶剂，并且其中所述电池电解质溶液的重量的约0.01至80％是至少一种由结构I表示的芳族磷化合物。

如本文中所述的芳族磷化合物对电池电解质溶液提供良好的热稳定性。电池电解质溶液趋向于耐热降解，更不容易参与热失控反应，并且耐燃烧。令人惊奇地，这些芳族磷化合物有时实际上提高电池的电池容量利用率，放电倍率能力(discharge rate capability)和/或循环稳定性。

在一些优选的实施方案中，电池电解质溶液还包含(a)一种或多种如下进一步描述的磷-硫化合物，(b)一种或多种含有至少一个脂族碳-碳双键的碳酸酯化合物，(c)至少一种磺内酯化合物，或(d)任意前述项的两项或多项的混合物。含有这样的优选电解质溶液的电池趋向于具有特别良好的循环稳定性，且在这些情况下，即使在重复循环之后，电解质溶液的热稳定性也趋向于保持很好。

图1是两种根据本发明的电池和三种比较电池的4C放电曲线的图。

图2是三种根据本发明的电池和三种比较电池的4C放电曲线的图。

图3是两种根据本发明的电池和两种比较电池的4C放电曲线的图。

图4是三种根据本发明的电池和比较电池的4C放电曲线的图。