[发明专利]安全的电池溶剂

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种用于与普通电池电解质盐共同使用的改进的离子运输溶剂，具体地说，涉及一种不牺牲离子溶解度或安全性、减少金属离子穿过电解质/电极界面的电阻改进的离子运输溶剂。

背景技术

锂离子电池(“LIB”)通常用于各种电子消费品，包括手机、电脑和便携式摄像机。近来，LIB在其他行业中一直受到欢迎，包括军事、电动车辆、航空航天、石油和天然气的勘探、生产以及运输应用。

所有的电池都包含阳极、阴极和离子载体电解质溶液或聚合物，当电池充电或放电时，离子载体电解质溶液或聚合物在电极之间传输离子。最典型的溶剂是有机碳酸盐的混合物，最常见的电解质是LiPF₆，但LiBF₄和LiClO₄也较常用。商业锂离子电池中的溶剂/电解质体系包含了非常高的锂浓度和低粘度，因此提供了用于离子传输和有效电池功能的良好环境。

然而，这样的系统可能非常不稳定。例如，取决于选择的碳酸盐，碳酸盐溶剂可能具有低的闪点。当锂离子在充电或放电期间运输时，释放热能。如果电池处于大量需求时，产生的热量会相当大。当电池中的温度上升时，溶剂系统的蒸汽压增加。如果热能释放大于电池的自然冷却，则压力可能会超过电池壳的结构极限，导致破裂。热蒸汽可能会与空气中的氧气混合，并且如果存在热源，可能导致着火。

电池，尤其是在石油和天然气行业的电池，必须能够可靠地运行在最极端的环境条件中，包括高压高温的地下和海底区域。另外，大型锂离子电池系统，如在电动车辆行业中的，需求更安全、更可靠的电池。使用传统有机碳酸盐的电池带来严重的安全问题，包括爆炸和火灾的可能性。

主要的现有技术的详细描述在美国专利No.7285362中可以找到。在362专利中，该发明包含新的离子运输溶剂，其能保持低的蒸气压，包含阻燃成分，并且是无毒的。与电解质盐组合使用的所述溶剂，代替典型的碳酸盐电解质溶液，形成更安全的电池。

根据现有技术，优选的添加剂为环磷腈，包括至少3个PN重复单元的环核，最优选地3-10个重复单元。现有技术中的每个PN单元包括在磷和氮之间的双健和结合到磷上的两个侧基。每个PN单元通过单健在任何一侧上连接到其它PN单元上，形成环核。侧基共价健合到磷上，且所述侧基包括离子载体基团，用于提高阳离子的迁移率。所述离子载体基团包括乙烯-氧和/或乙烯-硫醇基团。在现有技术中，优选地侧基包括1-10个乙烯单元，特定地环磷腈上连接的侧基可能具有不同的乙烯单元。现有技术中的总链长度变化地较大。侧基可以是直链、支链或它们的任意组合。

根据现有技术，这两个分子直接连接到磷原子上形成用于临时容纳阳离子的“口袋”。例如，口袋可在O-P-N、O-P-O和S-P-N和/或S-P-S口袋中发现。在溶剂分子内，金属离子可从一个口袋“跳”或“跃”到另一口袋，和/或从一个分子上的口袋到下个分子上的口袋，等等。

现有技术的溶剂可以兼容两种常见的电极材料，如石墨和LiCoO₂，并且使常见盐形成溶剂化物，如LiPF₆。现有技术公开认为溶剂的侧基中存在的远端离子载体(主要是远端氧和/或远端硫原子，但也可包括第6B族的其它基团)能够提高阳离子的迁移率。也猜测远端原子有助于锂阳离子沿单个溶剂分子和从溶剂分子到溶剂分子之间“跳”和/或“跃”。

相关领域技术人员将很容易理解，由于高粘度和界面电荷转移电阻，伴随这些远端离子载体的扩展臂而来的问题，有时是难以克服的。特别地，这些问题是由于溶剂分子和锂离子之间的多个同步配位作用引起的。

这种配位有两种形式。首先，产生单分子螯合作用，其中锂分子有多个配位原子，所述配位原子来自相同溶剂分子，或者内侧基或者外侧基，或两者都有。这导致锂离子穿过电解质/电极界面的阻力要远高于现有技术中预期的。其次，从两种或两种以上不同的溶剂分子中产生同时配位的现象。这种配位产生瞬态溶剂分子的“交联”，所述“交联”用于大大增加系统的粘度，产生对批量运输锂离子通过系统的附加电阻。

因此，需要新的安全电池溶剂配方，即不牺牲锂离子溶解度，又能够降低粘度和减小锂离子穿过电解质/电极界面的运输的阻力。

发明内容