[发明专利]电解质溶液用材料及其用途

说明书

本发明专利申请是申请号为03107768.4，申请日为2003年4月1日，发明名称为“电解质溶液用材料及其用途”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电解质溶液用的材料及其用途。本发明更具体涉及一种电解质溶液用材料，它用在电解质溶液中作为电化学设备中的离子导体，本发明也涉及所述材料在锂二次电池、电解电容器、电双层电容器等中的用途。

背景技术

电解质溶液用材料可广泛用在各种使用了离子导电现象的电池或蓄电池中，例如用在一次电池或蓄电池、锂(离子)二次电池、染料电池和具有放电和充电机理的其它电池或蓄电池，以及用在电解电容器、电双层电容器、太阳能电池、电致变色显示设备和其它电化学设备中。其中，每种电池通常由一对电极和存在于电极之间的电解质溶液(用作离子导体)组成。现在，用作离子导体的是通过把电解质(如高氯酸锂、LiPF₆、LiBF₄、氟硼酸四乙铵或邻苯二甲酸四甲铵)溶解在有机溶剂(如γ-丁内酯、N，N-二甲基甲酰胺、碳酸乙二酯、碳酸丙二酯或四氢呋喃)中制备的电解质溶液。在这些离子导体中，电解质(当溶解时)离解成阳离子和阴离子，从而造成通过电解质溶液的离子导电。

随着膝上型计算机、掌上型计算机、移动电话、摄象机和其它便携式电子设备的普及，就越来越需要轻和大功率的电池和蓄电池(在所述电池和蓄电池中使用了离子导体材料)。为了适应对于这些电池和蓄电池的增长的需要，以及为了解决伴随的环境问题，开发长寿命的二次电池就变得越来越重要。

典型的锂(离子)二次电池的形式用示意图表示为图1的截面图。这种锂(离子)二次电池具有由各自的活性物质形成的正电极和负电极，由有机溶剂和作为溶质溶解在溶剂中的锂盐(如LiPF₆)组成的电解液形成了正负电极之间的离子导体。在那种情况下，充电时，反应C₆Li→6C+Li+e发生在负电极，在负电极表面产生的电子(e)以离子导电的方式通过电解质溶液迁移到正电极表面上。在正电极表面上发生反应CoO₂+Li+e→LiCoO₂，电流从负电极流向正电极。放电时，对比充电时的反应，两个电极上发生了逆反应，电流从正电极流向负电极。锂(离子)二次电极可用作这样的二次电池，六氟磷酸锂(LiPF₆)用作大部分这些锂(离子)二次电池中的电解质盐。

但是，这种电解质溶液(它构成了电化学设备)有一些问题；有机溶剂容易挥发，且具有低闪点，容易发生液体泄漏，因此长期使用的可靠性受到质疑。因此，需要在这些方面带来改进的材料。六氟磷酸锂(LiPF₆)等锂盐具有低的热稳定性，且容易水解。使用了这些锂盐的锂(离子)电池的结构变得非常复杂，且是使用了非常昂贵的方法制造的。此外，由于这些锂盐的灵敏性，锂(离子)电池的寿命和性能会缩短或降低，在极端环境(如高温)中，不能使用这种电池。

在现有技术中，Koura等的J.Electrochem.Soc.(USA)，(1993)卷140，602页提出使用常温熔盐(它在室温下是液体)。C.A.Angell等的Nature(UK)，(1933)卷362，137页提出了作为常温熔盐的配合物，所述配合物包含N-丁基吡啶鎓盐、N-乙基-N’-甲基咪唑鎓盐等芳香族季铵卤化物和卤化铝以及两种或更多种锂盐的混合物。但是，前一种配合物有被卤原子腐蚀的问题，而后一种配合物是热力学不稳定的过冷液体，有随着时间推移而凝固的问题。

另一方面，从电学的观点看，四氟硼酸根阴离子、双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子等的咪唑鎓盐或吡啶鎓盐都是不稳定的，最近已经成为详细调查的目标。但是，它们的性能(如离子电导率)是不能令人满意的，且由于它们含氟，所以它们引起了电极腐蚀的问题。因此，尚有提供具有改进基本性能的离子导体材料的发明的余地。

Douglas R.Macfarlane等的Chem.Commun.(UK)，(2001)1430-1431页(他们研究N-烷基-N-甲基吡咯烷鎓或1-烷基-3-甲基咪唑鎓的二氰胺盐的热特性、粘度和定性的电热稳定性)提出，二氰胺盐可用作低粘度离子液体。但是，没有提到关于把这种二氰胺盐作为离子导体材料施加到电化学设备上的技术。因此，尚有提供具有改进基本性能的离子导体材料的发明的余地。