[发明专利]用于电池的离子液体

说明书

发明领域

本发明涉及适合用于电池中的多种室温离子液体。本发明特别适合应用于锂电池中。

发明背景

在电化学电池中，一种物质在一个电极处被还原（即，获得电子、并且然后在另一个电极处被氧化（即，失去电子）。被还原/氧化的物质可以存在于连接这2个电极的电解质溶液中、或者可以存在于这些电极本身中、或可以来自一种外部来源。在可再充电的锂离子电池中，电解质和电极两者都被牵涉在电化学反应中。例如，当使具有一个碳阳极和一个LiCoO₂阴极的可再充电的锂离子电池放电时，该阴极中的过渡金属Co被还原（Co⁴⁺→Co³⁺）并且Li⁺从该阳极中被提取出来（Li_xC₆→xLi⁺+6C+xe^-）（又称为脱掺杂或脱嵌）、并被插入该阴极的空位中（Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-→LiCoO₂）（又称为掺杂或嵌入）。当充电时，该阴极中的Co被氧化（Co³⁺→Co⁴⁺），并且Li⁺从该阴极中被提取出来（LiCoO₂→Li_1-xCoO₂+xLi⁺+xe^-）并被插入该阳极中（xLi⁺+6C+xe^-→LixC₆）。其他阴极材料存在类似情况，这些材料总体上具有形式LiM_xO_y，其中M是至少一种选自下组的元素，该组由以下各项组成：Co、Ni、Mn、Fe、Al、V以及Ti（如LiMnO₂、LiFePO₄和Li₂FePO₄F）。

对于电化学电池来说，净电动势（EMF）是化学EMF（即，放电过程中的还原/氧化反应）与跨越其端子所施加的任何电压差EMF（即，在充电过程中）的总和。两种EMF的组合因此可以在任一个方向上驱动电流（即，允许进行放电和充电两者）。总体而言，该化学EMF是每个电极的还原电位之间的差异。在锂离子电池中，在阳极和阴极处的还原电位是相对于一种参比电极来测量的，并且该电池的还原电位（通过参照阴极来表示）是这2个值之间的差异。因此，电池的还原电位对于LiCoO₂为约3.7V，对于LiMnO₂为约4.0V，对于LiFePO₄为约3.3V，并且对于Li₂FePO₄F为约3.6V。EMF还可以称作放电电压。

疏质子电解质，例如基于像碳酸亚乙酯或碳酸亚丙酯的化合物以及它们的混合物的那些，经常被用作电解质。然而，这些化合物的沸点和闪点低、电化学性不稳定（即，它们在电极处降级/分解，这抑制了电流），并且它们可能是有毒的。此外，这些电解质通常需要用腐蚀性的锂盐进行掺杂，如用六氟磷酸锂（LiPF₆）、四氟硼酸锂（LiBF₄）以及高氯酸锂（LiClO₄）。已知这些锂盐掺杂剂会在微量水的存在下降级，形成氢氟酸（HF）或盐酸（HCl）。

离子液体（IL）具有充当用于电化学装置的溶剂和电解质二者的能力。IL是在所关注的温度下被熔化的盐组合物（即，多个阳离子和多个阴离子的混合物）。因此，室温离子液体（RTIL）是在室温下被熔化的盐组合物。如在此使用的室温用以包括普遍经历的环境温度而不是科学定义的范围。例如，将室温用作从约0°C至约100°C的温度范围。RTIL已经被用作电化学电池（例如电池）、电容器、光化学电池、电镀、电解精炼、催化以及合成中的电解质。

为了更好地解释本发明，下面讨论锂离子电池中的操作。在锂离子电池中，Li⁺从正电极移动到负阳极。然而，达到高EMF（高于约3V）取决于带电物质在电极之间的移动，而这种移动又取决于电解质的特性。具体地说，电解质的特性必须使得以下问题被避免:(1)在负阳极处一个固体电解质界面（SEI）层的产生，该层对于Li⁺是不可渗透的；以及(2)通过负离子簇集在正Li⁺离子周围导致对Li⁺穿过该电解质从正阴极迁移到负阳极的抑制。