[发明专利]锂离子电池氧化还原对添加剂及锂离子电池电解液

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池氧化还原对添加剂及锂离子电池电解液。

背景技术

锂离子电池作为新型的能源存储技术已经广泛应用到电子产品电源中，例如手机，笔记本电脑，mp3播放器等等。与其他的能源存源储技术相比，锂离子电池具有能量密度高，使用寿命长，无记忆效应等优点，因此，其应用前景非常广阔，有关把锂离子电池技术作为混合动力电动汽车的动力研究已经有效的展开，并已经有试用型产品投放到市场。但是锂离子电池技术的安全性能却是阻碍其进一步应用的重要问题，而作为电池不可或缺的组分电解液不仅在决定电池的性能上起到重要作用，而且对于电池的安全性能更是至关重要。具体来讲，锂离子电池电解液是由一种锂盐溶解在两种或两种以上的有机碳酸酯溶剂中构成的，作为有机溶液，电解液存在易燃烧的性质，从而给电池的安全性带来不稳定因素。在实际应用中，电解液需要在电池工作过程中保持相当的稳定性，这种稳定性包括热力学稳定性（电化学窗口）和动力学稳定性（钝化膜）。电解液在电极表面的稳定性对于可充放电的电池系统具有特殊的意义，这是因为几乎所有的电池体系的电子转移反应都是在电极表面发生的，同时这也是绝大多数安全隐患的源头。但是在电池的工作过程中，这种稳定性很容易被电极材料自身的氧化还原特性所破坏，尤其是当电池体系处于过充电状态时，这种情况更加明显。

过充是在电池组充电过程中经常出现的现象，过充的发生常常引发重大安全隐患，这是因为过充的时候，多余的电能以静电的形式滞留在电极表面，引发电极电势显著快速升高，从而超出电解液的电化学稳定窗口，进而引发电解液的分解反应，并引起电池其他组件的反应，最终导致电池热逃逸甚至爆炸。在锂离子电池工业界，商品化的小容量锂离子电池一般通过外加专用的过充电保护电路，或者在单个电池上安装安全阀门等物理方法实现对电池的过充保护。这些方法不仅增加了电池的成本而且难以及时防止电池发生过充。对于大容量的锂离子电池来说，安全问题更加突出，所以解决大容量锂离子电池的安全问题刻不容缓。另外一种简单有效的方法是用特殊设计的功能性电解液来实现过充保护，这种方法不需要增加重量，体积和很多成本，因此对于大规模应用尤其是电动汽车的应用有着重要现实意义。这种电解液中含有氧化还原对添加剂，在电池正常工作的时候对电池体系没有任何影响，但是当电池处于过充状态时，可以在电池内部形成电化学对流循环，达到类似内部电路的作用从而引导过充的电流通过电池，而不造成破坏。

过充保护的功能性电解液的研究，最早可以追溯到上世纪80年代。Behl 等人首次用碘负离子的第一氧化还原电位（3.25V vs Li/Li⁺）来作为3V锂离子电池的过充保护添加剂。这种过充保护方法简单易行却又十分有效，从而引发了这一领域的研究热潮。总的来说，锂离子电池过充保护添加剂分为两大类，包括（1）无机或者有机金属化合物类过充保护添加剂和（2）有机小分子氧化还原对添加剂。截至目前，这两类过充保护添加剂都存在明显的缺点和不足，严重限制了锂离子电池的广泛应用，具体阐述如下：