[发明专利]用于锂离子电池系统的电解质添加剂

说明书

本发明涉及根据通式(1)的化合物，特别是1,4,2‑二氧杂唑‑5‑酮衍生物作为电化学能量源如锂离子电池的电解质中的添加剂的用途，以及含有根据通式(1)的电解质的化合物，特别是1,4,2‑二氧杂唑‑5‑酮衍生物。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域。

背景技术

锂离子电池(二次电池)目前是可充电电池领域的领先技术，特别是在便携式电子领域。传统的锂离子电池使用由碳组成的阳极，通常是石墨。电荷传输通过电解质发生，该电解质包括溶解在溶剂中的锂盐。各种电解质和电解质盐在现有技术中是已知的。目前，常规的锂离子电池通常采用六氟磷酸锂(LiPF₆)。

合适的电解质的特征在于，诱导在电极上形成固体-电解质相界，称为固体电解质中间相(SEI)。在石墨阳极的情况下，发生电解质的还原分解，并且反应产物可以形成电子绝缘但在阳极上传导锂离子的粘附膜。然后，固体电解质的中间相会阻止电极材料与电解质进一步反应，并且以这种方式保护电解质免于进一步的还原分解和阳极免于溶剂破坏。特别是当使用石墨阳极时，这种膜的形成对于锂离子电池的可靠操作是必要的。

然而，溶剂碳酸丙烯酯(IUPAC名称4-甲基-1,3-二氧戊环-2-酮)的还原分解不会导致固体电解质中间相的形成。因此，由碳酸丙烯酯的共嵌入诱导的石墨层内气体的还原诱导演化，导致活性材料的断裂(“剥落”)和不可逆破坏。尽管锂离子技术与碳酸亚乙酯相比具有更好的热和物理化学性质，但这限制了碳酸丙烯酯的效用。此外，碳酸丙烯酯可以用作电解质的模型系统，其同样显示还原分解而没有形成SEI和石墨的剥落。

含有二氧戊环作为有机溶剂的其它电解质在现有技术中是已知的。文献DE102010020992 A1公开了例如包括碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯和其他化合物如3-甲基-1,3-恶唑烷-2-酮的溶剂，以及这些溶剂中两种或更多种的混合物。

已经提出了通过使用高浓度电解质来抑制石墨的剥落和溶剂的还原分解。然而，高浓度电解质(也称为“盐中溶剂”电解质)的使用是不经济的，因为这种方法需要的电解质盐量是通常需要的电解质盐量的许多倍。此外，电解质的粘度随浓度(通常3mol l^-1)大大增加，这导致电池的电导率和性能的显著降低。此外，可以预期的是，在降低操作温度时，系统将低于电解液溶液中电解质盐的溶解度积，导致盐沉淀在电池内部。另外，随着电解质盐的添加量增加，电解质的密度和因此总质量以恒定的体积增加。这同样导致电池的比能量密度(Ah kg^-1)随着整个系统减少。

此外，已经提出了使用合适的性能添加剂。这里，碳酸亚乙烯酯(VC)和氟代碳酸亚乙酯(FEC)在商用电池中特别重要。然而，常规使用的添加剂碳酸亚乙烯酯在锂离子电池中仅可以使用不超过4.7V的最终电压，否则会发生氧化分解。因此，需要具有提高的氧化稳定性的SEI形成电解质添加剂，特别是用于开发高压电解质。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种电解质，该电解质克服现有技术的至少一种上述缺点。特别是，本发明的目的是提供一种有助于形成固体电解质中间相的化合物。

该目的通过包括电解质盐和溶剂的用于电化学能量存储器的电解质来实现，其中电解质包括如下所示的至少一种通式(1)的化合物：

其中：

X为C、S或S＝O；

R¹选自CN、C₁-C₁₀的烷基、C₁-C₁₀的烷氧基、C₃-C₇的环烷基、C₆-C₁₀的芳基和/或-CO-O-R²，其中烷基、烷氧基、环烷基和芳基各自未被取代或被至少一种选自F、C_1-4的烷基和/或CN的取代基单取代或多取代；和