[发明专利]氟离子电池电解质组合物

说明书

技术领域

本发明涉及基于氟离子转移的非水性电化学电池，包含氟离子盐的液体电解质组合物，及其在电化学电池中的应用，所述电化学电池包括：电池、电容器、超级电容器及原电池。

技术背景

电池通常包括正极（放电时的阴极）、负极（放电时的阳极）和用于离子传输的电解质。电解质可以包含一种或多种离子类物质作为电荷载流子。许多广泛可得的电池系统是基于阳离子电极反应的，电极从电解质中捕获或释放阳离子，并从外部电路中得到电子实现电荷平衡。由于其非常低的电化学氧化/还原电势且轻重量，因此元素锂通常被用于基于阳离子的电池系统。锂电池和锂离子电池均市售可得并被广泛使用。

然而，金属锂或含锂电极的电化学在商业应用中存在一些问题。金属锂活性高，需要大量额外的加工来以更加安全的嵌入形式储存锂、来增加电池重量和降低能量密度。锂离子电池在很多情况下都不稳定，且很容易过热或过充。在极端的情况下，会导致热失控和电池破裂，或电极之间的短路。从安全性和高循环寿命的角度出发，锂离子电池组通常包含昂贵的电压和热控制电路，用于当电压或温度超出安全范围时关闭电池。

基于阴离子的电极反应为锂和锂离子电池的相关问题提供了一种解决方案。在基于阴离子的系统中，电极从电解质中捕获或释放阴离子，同时伴随着从外部电路中释放或捕获电子。这些阴离子系统已经被用于固态电池系统，例如，Potanin的美国专利7,722,993，其描述了一种二级电化学电池的实施方式，其中氟离子在充-放电循环中于阳极和阴极之间可逆地交换，同时这些电极与固态导电氟化物电解质接触。Potanin描述的固态电解质包含La、Ce的氟化物或基于所述氟化物与合金添加剂的复合氟化物，例如：一种或多种碱土金属氟化物（CaF₂，SrF₂，BaF₂）和/或碱金属氟化物（LiF，KF，NaF）和/或碱金属氯化物（LiCl，KCl，NaCl），以及各种其它复合氟化物。

人们也已经尝试提供能够利用液体电解质的基于阴离子电荷载流子的电化学系统。例如，Yazami、Darolles，和Weiss的美国专利20100221603A1“氟化锂离子电池”公开了一种电池，所述电池包括：正电极，其包含碳纳米纤维或碳纳米管材料；负电极，其包含石墨材料；以及正电极与负电极之间的电解质。选择电解质以在正电极和负电极之间传导电荷载流子，该电解质包含溶剂承载的氟化物盐，其至少部分以溶解状态的氟离子存在于电解质中。运行时，在电池充电和放电的过程中，正电极和负电极与电解质可逆地交换氟离子。在一个实施方式中，在电池的放电过程中，氟离子从正电极释放，并被负电极所容纳；和/或在电池的充电过程中，氟离子从负电极释放，并被正电极所容纳。

然而，对于许多应用所述电解质组合物并非不含锂，或者不能提供足够的离子传输能力以确保可靠的、高放电容量的运行。

发明内容

为了解决上述问题，本文描述了一种不含锂的基于阴离子电荷传输的电化学系统，该系统使用了氟离子传输电解质。所述氟离子传输电解质在温度低于200℃下通常为液体。在其它实施方式中，可使用在低于100℃下为液体的电解质。在某些应用中，优选为在温度大于-40℃下为液体的低温电解质。在某些实施方式中，描述了使用上述液体电解质并可在温度低于200℃或高于-40℃下运行的一次和二次（可充电的）氟离子电池。

附图说明

附图中：

图1显示了溶于C₆D₆的MPPF的¹H NMR谱图，表明MPP⁺阳离子存在于溶液中。

图2显示了溶于苄腈和C₆D₆的MPPF的¹⁹F NMR谱图，表明F^-阴离子存在于溶液中，且不存在任何HF₂^-杂质；

图3显示了溶于C₆D₆的MPPF与BF₃.OEt₂的反应产物的¹⁹F NMR谱图，BF₄^-的存在表明MPPF作为氟源的反应活性；以及

图4显示了采用铋作阳极、氟化铜作阴极及1M溶于EC:DMC的MPPF溶液的全电池的循环。

发明详述