[发明专利]用于锂离子电池的离子液体、其制备方法及锂离子电池电解液

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子电池的离子液体(A)、其制备方法、该离子液 体(A)制备的电解液及使用该离子液体(A)的锂离子电池，特别是一种二苯 基膦酸季铵盐或二苯基膦酸季鏻盐的离子液体(A)、其制备方法、该离子液体 (A)制备的电解液及使用该离子液体(A)的锂离子电池。

背景技术

电化学装置包括锂电池、锂离子(二次)电池、锂聚合物电池、电双层电容 器、混合型电化学储能装置(例如基于电双层电容器的电极与基于法拉第电容器 的电极相组合)、太阳能电池、电解装置、电催化反应装置等等，并不特别限制。 本发明主要以锂离子二次电池作为应用实例。

锂离子二次电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长等优良的电池特 性，广泛应用于移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等便携式电子产品。 目前，大容量锂离子二次电池己在电动汽车中试用，将成为电动汽车的主要动力 电源之一。锂离子二次电池在人造卫星、航空航天和储能方面也己逐步得到应用。 随着锂离子二次电池应用领域的不断扩大，其安全性能显得愈发重要。

迄今为止，商业化的锂离子二次电池电解液主要采用有机溶剂与锂盐组成的 混合物。有机溶剂一般沸点较低，如作为电解液重要组分之一的碳酸二甲酯沸点 仅为90℃。在高温工作环境下，有机溶剂非常容易气化从而引发安全问题。即 使全部使用高沸点溶剂，其本身的可燃性也决定了不可能从根本上消除安全隐患， 电池的安全性仍得不到保障。因此，开发新型的高安全性(不可燃烧)的电解液 迫在眉睫。

离子液体(ionicliquid)是完全由离子组成的液态物质，在室温或低温下仍 为液体，因此又称室温/低温熔融盐(roomorlowtemperaturemoltensalt)，也称 液体有机盐(liquidorganicsalt)。离子液体在最近二十年有了长足的发展，为 开发性能好、安全性高的锂二次电池用电解液提供了一种可能。离子液体包括阳 离子和阴离子两部分，阳离子结构多种多样，取代基团千变万化，阴离子变化空 间相对小得多，多为Cl^-、Br^-、I^-、BF₄^-、PF₆^-等无机阴离子以及CH₃COO^-、CF₃SO₃^-、 C₄H₉SO₃^-、CF₃COO^-、N(CF₃SO₂)₂^-、N(C₂F₅SO₂)₂^-、N(C₄F₉SO₂)₂^-、N[(CF₃SO₂) (C₄F₉SO₂)]^-、C(CF₃SO₂)₃^-等有机阴离子。阴离子Cl^-、Br^-、I^-的氧化电位太低，不 能用于锂电池，绝大部分阴离子为羧酸根、磺酸根的离子液体在室温下呈固态， 而且熔点较高。目前，成功应用于锂电池的离子液体，其阴离子为BF₄^-、PF₆^-或 者磺酰亚胺基团，并且以磺酰亚胺阴离子居多。然而，磺酰亚胺阴离子例如 N(CF₃SO₂)₂^-、N(C₂F₅SO₂)₂^-、N(C₄F₉SO₂)₂^-以及N[(CF₃SO₂)(C₄F₉SO₂)]^–存在腐蚀 铝集流体以及耐氧化电位不够高(一般小于4.2V对Li/Li⁺)等问题，应用受到 限制。开发电化学窗口宽、化学稳定性好的离子液体，并将其应用于锂电池，仍 任重道远。为此，许多研究者通过探索千变万化的阳离子以及阴离子，以合成适 用于锂电池的离子液体，其中以改变阳离子结构相对容易。例如，中国专利申请 (申请号200810203458.1)公开了一种低黏度的胍盐类离子液体及其制备方法， 并将其与有机溶剂(主要是碳酸酯类)按一定比例配制成电解质应用于锂离子二 次电池，发现在高倍率(0.5C及以上)充放电条件下电池具有较高的容量保持 率和库仑效率。又如，中国专利申请(申请号200810201935.0)公开了一种烷基 噻吩离子液体及其制备方法，其中丁基噻吩二(三氟甲基磺酰)亚胺离子液体与 碳酸亚乙烯酯复合而成的电解液，在以锰酸锂为正极的锂电池上使用性能发挥良 好。离子液体的阴离子因可选择的范围窄，见于报道较少，探寻更多种类的有机 阴离子对于开发适用于锂电池的离子液体有着重要意义。