[发明专利]锂离子蓄电池电解质和电化学电池

说明书

背景技术

虽然商业的锂离子蓄电池(LIB)对于大多数家用电子应用来说令人满意地运行，但是当前可用的LIB技术不满足用于混合动力电动汽车(HEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)或纯电动汽车(EV)的更多需求性能目标中的一些。具体地，当前可用的LIB技术不满足新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)设定的10-15年日历寿命的要求。最广泛使用的LIB电解质由溶解于有机碳酸盐或酯中的LiPF₆构成；然而，这些常用电解质具有有限的热稳定性和高电压稳定性。电解质的热降解和电化学降解被视为锂离子蓄电池性能随时间推移而降低的主要原因。与高级锂离子蓄电池相关联的许多性能和安全问题是电解质与高反应性正极或负极之间发生不期望反应的直接或间接结果。这些反应导致循环寿命缩短、容量衰减、放气(可以导致电池排气)、阻抗增大并且倍率容量降低。通常，将电极驱动至更高的电压极值或者将电池暴露在更高的温度下加速了这些不期望的反应并且使相关联问题更严重。在罕见但极端滥用的条件下，可以发生不受控制的反应放热，导致电池的热逃逸和灾难性崩解。

稳定电极/电解质界面是控制并最小化这些不期望反应和改善LIB的循环寿命及电压和温度性能限制的关键。被设计成以钝化界面的方式选择性地与电极表面反应、键合或在电极表面处自组织的电解质添加剂代表实现这个目标的最简单且可能成本效益最好的方式中的一个。通用电解质溶剂和添加剂(如，碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟化碳酸乙烯酯(FEC)和双乙二酸硼酸锂(LiBOB))对负极SEI(固体电解质界面)层的稳定性的影响已经被很好地记录。证据表明，碳酸亚乙烯酯(VC)和双乙二酸硼酸锂(LiBOB)例如在阳极的表面上反应以产生更稳定的固体电解质界面(SEI)。

在升高的温度(例如，＞45℃)和高电压(例如，＞4.2Vvs.Li/Li⁺)下，这些电解质的日历寿命较差，并且容量快速衰减。稳定SEI和抑制可致使电极(阴极和阳极二者)界面处电解质降解的有害热反应和氧化还原反应将导致日历寿命延长和LIB的热稳定性增强。

发明内容

本公开提供了用于锂离子蓄电池的包含水的电解质溶液。

与传统的观念相反，在用于锂离子蓄电池的电解质中保持一定的水含量可以提高长期性能，同时降低锂离子电池的成本。虽然本公开表明严格的电解质的水规范可以放松，但本公开还表明保持一定程度的水对性能来说可以是有利的。

在本公开的一个实施例中，提供了一种用于锂离子蓄电池的电解质溶液，其中所述电解质溶液包含：锂离子蓄电池电荷传输介质；水；环状碳酸酯；以及酰亚胺锂盐；其中所述水以基于所述电解质溶液的总重量计至少100份每百万份(ppm)(或至少200ppm)的量存在。

在一个实施例中，本公开提供了一种用于锂离子蓄电池的电解质溶液，其中所述电解质溶液包含：锂离子蓄电池电荷传输介质；水；包含碳-碳不饱和键的环状碳酸酯，或式(1)的环状碳酸酯：

其中每个X独立地为氢或卤素，并且至少一个X是卤素；

以及具有下式(2)的酰亚胺锂盐：

其中：R¹表示C_mX_2m+1；R²表示C_nX_2n+1；m和n各自独立地为1至8的整数；并且每个X独立地为氢或卤素；其中所述水以基于所述电解质溶液的总重量计至少100ppm的量存在。

在一个实施例中，本公开提供了一种锂离子电化学电池，其包括：正极(例如，包含锂金属氧化物的正极)；负极(例如，包含碳、硅、锂、钛酸盐或它们的组合的负极)；以及如本文所描述的电解质溶液。

在某些实施例中，水以小于2000ppm，或者在一些实施例中以小于1000ppm的量存在于本公开的电解质溶液中。术语“包含”及其变型形式在说明书和权利要求中出现这些术语的地方不具有限制的含义。

词语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可提供某些益处的本公开的实施例。然而，在相同或其它情况下，其它实施例也可以是优选的。此外，对一个或多个优选实施例的表述并不暗示其它实施例是不可用的，并且并不旨在将其它实施例排除在本公开的范围之外。

在本申请中，术语诸如“一”、“一个”和“该/所述”并不旨在仅指单一实体，而是包括可用于举例说明的具体示例的一般类别。术语“一”、“一个”和“该/所述”可与术语“至少一个”互换使用。