[发明专利]用于锂电池的极性聚硅氧烷电解质

说明书

本发明描述了基于极性聚硅氧烷聚合物的新型聚合物电解质的合成和电化学性能。与环氧乙烷类聚合物不同，这些材料在高达至少4.2V的电压下具有氧化稳定性，4.2V的电压是使用诸如锂镍钴铝氧化物(NCA)和锂镍钴锰氧化物(NCM)之类的阴极材料的高能电池的工作电压。本发明还描述了在固态锂电池中使用这些聚合物电解质替代PEO的应用。

发明人：库兰戴维路·斯瓦南丹、哈尼·巴萨姆·埃陶尼

【技术领域】

本发明总体涉及用于锂电池单元的电解质，并且更具体地，涉及特别适用于高电压单电池的电解质。

【背景技术】

越来越多的锂电池制造商正在使用下一代阴极材料，例如NCA(锂镍钴铝氧化物)和NCM(锂镍钴锰氧化物)，以利用其潜在的高重量能量密度(potentially highgravimetric energy densities)(高达300-500Wh/kg)，良好的倍率容量(ratecapabilities)和长期稳定性。用这种氧化物材料制成的单电池通常在比具有诸如LFP(磷酸铁锂)的橄榄石阴极材料的电池(例如3.6-3.8V)更高的电压(例如，高达4.5V)下操作。在LFP单电池的较低电压下稳定的电解质可能在较高电压下难以操作。已知常规固态锂电池中普遍使用的聚环氧乙烷(PEO)类电解质仅在较低电压(例如，低于4.0V)下稳定，并且可能难以在这些新的较高电压下，尤其是在阴极中运行。氧化形式的降解(Degradation)可能导致单电池寿命早期的容量衰减。

因此，需要开发非PEO类的、非常适合在下一代阴极材料的高电压(HV)条件下运行的聚合物电解质。

【发明内容】

在本发明的一个实施例中，聚合物组合物包括具有以下结构的均聚物：

其中，每个X独立地选自由砜、氰基甲基酯、亚砜、吡咯烷酮、环状氨基甲酸酯、膦酸酯、磷酸酯、碳酸酯和全氟烷基组成的组；每个R独立地选自由甲基、乙基、正丙基、异丙基、叔丁基、正丁基、正己基、2-乙基己基、环己基、乙烯基、烯丙基、炔丙基、降冰片烯、环戊二烯基、氮氧化物、溴代异丁酰溴、2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基、N-叔丁基-N-(2-甲基-1-苯基丙基)-O-(1-苯基乙基)羟胺(hudroxylamine)、氢化物、叠氮基丙基、巯基丙基、二苯甲酮、氨基丙基、苯基、苄基、萘基、蒽基、苯乙烯基、酰化物、降冰片烯、环氧基团，以及苯基、苄基、萘基、蒽基、苯乙烯基、酰化物、降冰片烯、环氧基团的被取代部分组成的组，其中，所述被取代部分的取代基为甲基、乙基、丙基、正丁基或叔丁基；z为2至1000的整数。

在本发明的另一实施例中，聚合物组合物包括具有以下结构的共聚物：

其中，每个X独立地选自由氰基、砜、亚砜、氰基甲基酯、吡咯烷酮、环状氨基甲酸酯、膦酸酯、磷酸酯、碳酸酯和全氟烷基组成的组；每个R独立地选自由甲基、乙基、正丙基、异丙基、叔丁基、正丁基、正己基、2-乙基己基、环己基、乙烯基、烯丙基、炔丙基、降冰片烯、环戊二烯基、氮氧化物、溴代异丁酰溴、2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基、N-叔丁基-N-(2-甲基-1-苯基丙基)-O-(1-苯基乙基)羟胺、氢化物、叠氮基丙基、巯基丙基、二苯甲酮、氨基丙基、苯基、苄基、萘基、蒽基、苯乙烯基、酰化物、降冰片烯、环氧基团，以及苯基、苄基、萘基、蒽基、苯乙烯基、酰化物、降冰片烯和环氧基团的被取代部分组成的组，其中，所述被取代部分的取代基为甲基、乙基、丙基、正丁基或叔丁基；m和n为整数，并且m和n之和为2至1000。

可以将电解质盐添加至以上所示的聚合物或共聚物中，以使其可用作电解质材料。有用的盐的例子在下文列出。在一种布置中，所述电解质盐是锂盐。