[发明专利]非水电解质和使用该非水电解质的锂二次电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月1日在韩国提交的韩国专利申请第10-2011-0065479号的优先权，其全部内容以引用的方式纳入本文。

技术领域

本公开内容涉及用于锂二次电池的非水电解质，其包括一种杂多环化合物（hetero polycyclic compound），并涉及使用该非水电解质的锂二次电池。

背景技术

近年来，对于储能技术的兴趣持续增长。由于储能技术的应用领域已延伸至移动电话、可携式摄像机、笔记本电脑甚至电动车，对作为用于这些电子设备的能量源的高能量密度电池的需求不断增长。为满足这种需求，对锂二次电池的研究正积极进行。

开发于1990年代早期的锂二次电池由以下构成：能够嵌入和脱嵌锂离子的碳基材料的阳极、含有锂的氧化物的阴极以及含有合适量的溶解于混合有机溶剂中的锂盐的非水电解质。

锂二次电池的平均放电电压为约3.6至3.7V，高于碱性电池、镍镉电池等的放电电压。对于这种高工作电压，要求一种在0~4.2V的充电/放电范围内化学稳定的电解质组合物。为此，使用一种混合溶剂作为电解质的溶剂，所述溶剂中合适地混合了一种环状碳酸酯化合物（如碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯）和一种线性碳酸酯化合物（如碳酸二甲酯、碳酸乙基甲酯和碳酸二乙酯）。电解质的溶质通常使用锂盐如LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄等，其在电池中用作锂离子源并因此能够使锂电池运行。

在锂二次电池的初始充电阶段，从阴极活性材料（如锂金属氧化物）发射出的锂离子迁移至阳极活性材料（如石墨）并嵌入该阳极活性材料层之间。此时，由于锂具有很强的反应性，所述电解质在阳极活性材料（如石墨）的表面与阳极活性材料的碳反应，从而生成化合物如Li₂CO₃、Li₂O和Li₂OH。这些化合物在阳极活性材料（如石墨）的表面形成一种SEI（固体电解质界面）层。

SEI层起离子通道的作用并且仅允许锂离子通过。由于离子通道效应，SEI层阻止了有机溶剂分子——其与电介质中的锂离子一起移动并具有大的分子量——嵌入阳极活性材料层之间并因此破坏阳极结构。因此，由于阻止了电解质和阳极活性材料之间的接触，电解质未被解离，而可逆地维持了电解质中的锂离子的量，从而确保了稳定的充电／放电。

但是，在SEI层形成反应过程中，由于碳酸酯基溶剂分解所产生的气体，如CO、CO₂、CH₄和C₂H₆，电池厚度在充电时可能会增加。另外，当电池在高温下在完全充电状态长期放置时，随着时间流逝，SEI层由于电化学能和热能的增加会缓慢坍塌，这导致在阳极的暴露的表面和周围的电解质之间持续地发生副反应。由于气体的持续产生，电池的内压增加，导致电池的厚度增加，造成在使用所述电池的设备如手机和笔记本电脑中出现问题。换言之，当电池长期放置时高温稳定性较差。另外，上述由内压增加导致的问题在含有大量的碳酸亚乙酯的通用锂二次电池中更严重，因为其SEI层不稳定。另外，由于碳酸亚乙酯具有37至39℃的高凝固点，使其在室温下为固态，含有大量碳酸亚乙酯的锂二次电池由于在低温下的低离子导电性而具有较差的低温导电性。

为解决这一问题，人们做了许多研究，以改变碳酸酯有机溶剂中的溶剂组分的组合物或通过混合一种特殊的添加剂改变SEI层形成反应的情况。然而，正如现有技术所知的，在改变溶剂组分或向电解质中加入一种特殊的化合物以改进电池性能的情况中，虽然某些特征得到改善，但其他特征反而退化了。

因此，迫切需要开发一种非水电解质组合物，其能够使锂二次电池具有良好的循环特性、良好的低温放电特性和良好的高温放电特性，以及优良的高倍率充电／放电特性。

发明内容

本文旨在解决所述现有技术中的问题，因此本文的一个目的是提供一种用于具有改进的高温循环特性的锂二次电池的非水电解质，以及使用所述非水电解质的锂二次电池。

在一方面，本文提供了一种用于锂二次电池的非水电解质，其包括一种电解质盐和一种有机溶剂，其中所述非水电解质还包括一种由以下化学式表示的杂多环化合物：

化学式1