[发明专利]氟化磷腈在锂离子电池中用作电解质添加剂和助溶剂

说明书

关于联邦政府赞助的研究或研发的声明

本发明是根据美国能源部授予的DE-AC07-05ID14517在美国政府的支持下做出的。美国政府拥有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明大体涉及用于稳定电解质溶液的添加剂和助溶剂，尤其涉及非限制性实施例中的、用于稳定锂离子电池中有机电解质溶液的氟化的、磷腈基化合物，该化合物在封装有添加剂的电池的整个使用寿命中具有改进的安全性和稳定性特点。

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在其他行业中越来越受到欢迎，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。

所有的电池都包括阳极、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。电解质溶液通常包括电解质和有机碳酸酯溶剂(通常为多种有机碳酸酯的混合物)。

用于锂离子电池的最常见的商业的电解质是六氟磷酸锂(LiPF₆)，但四氟硼酸锂(LiBF₄)和高氯酸锂(LiClO₄)也是常用的。在电池工业中常用的有机电解质溶液为1.2MLiPF₆溶于碳酸乙烯酯(EC)∶碳酸二乙酯(DEC)以及1.2MLiPF₆溶于EC∶碳酸甲乙酯(EMC)。

商业锂离子电池的典型的溶剂/电解质体系具有非常高的锂浓度和低粘度，从而为离子传输提供了良好的环境、进而提供了有效的电池功能。

这些电解质共混物是高度易挥发和高度易燃的，通常闪点为约30℃或低于30℃。这会出现严重的安全问题，特别是在用于大尺寸电池时或在电池出现撤消应力或物理损伤时。此外，依赖有机碳酸酯会使电解质溶液在预期的操作窗口内电化学不稳定。依赖于有机碳酸酯会导致突发的火灾和爆炸。

例如，锂离子在电池的充电或放电过程中进行传输，导致热能的释放。如果电池处于高需求，所产生的热量可能是相当大的。溶剂系统的蒸气压随电池温度的升高而升高。如果热释放大于电池的自然冷却，该蒸气压会超过电池壳体的结构强度极限，导致电池壳体破裂。热蒸气与空气中的氧气混合，当存在点火源时，引发火灾。

正在加大锂离子电池的安全性的审查力度，因为锂离子电池正被以大尺寸应用，特别是在汽车运输行业以及用于电网储能。锂离子电池的主要缺点在于液体电解质溶液的易燃性和对高电压和升高的温度的敏感性。

因此，在仍旧保持或提高电池性能的同时，存在着长期以来尚未满足的、对在具有改善的安全曲线的锂离子电池中使用的改进的电解质溶液的需要。也存在着尚未满足的、对制备改进的电解质溶液的方法的需要。

发明内容

一种用于电池的电解质溶液，至少包括：可电离的盐；至少一种有机溶剂；和至少一种环磷腈化合物。

附图的简要说明

为了进一步理解本发明的性质、对象以及优势，必须应参考以下描述，结合以下附图进行理解，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1示出了根据示例性实施例的适合用作电池的电解质溶液的添加剂或助溶剂的化合物的结构。

图2A和图2B为示出了根据示例性实施例的、相对于基线电解质溶液、电解质溶液的闪点随A)1∶1EC∶DEC(重量∶重量)和1.0MLiPF₆中的磷腈负载变化的曲线图；以及电解质溶液的闪点随B)1∶2EC∶EMC(体积∶体积)和1.2MLiPF₆中的磷腈负载变化的曲线图。

图3A和图3B为示出了根据示例性实施例的、相对于基线电解质溶液、各电解质溶液的蒸气压曲线图，其中，各电解质溶液为含有20wt％的磷腈添加剂FM2、FM3和FM4溶于A)1∶1EC∶DEC和1.0MLiPF₆中，以及为20wt％的磷腈添加剂FMl、FM2、FM3和FM4溶于B)1∶2EC∶EMC和1.2MLiPF₆中的电解质溶液。

图4A和图4B为示出了在30℃的基线磷腈溶液B中，20wt％的磷腈FMl、FM2、FM3和FM4的蒸气压随A)EMC的摩尔分数变化的曲线图和20wt％的磷腈FMl、FM2、FM3和FM4的蒸气压随B)^-OCH₂CF₃的摩尔分数变化的曲线图。