[发明专利]用于二次电池的电解液以及包含电解液的锂二次电池

说明书

本发明公开了一种用于二次电池的电解液和包括电解液的锂二次电池，所述用于二次电池的电解液包括锂盐、非水性有机溶剂和双氟亚磷酸酯多环化合物。

技术领域

以下发明涉及用于锂二次电池的电解液以及包括电解液的锂二次电池。

背景技术

近年来，随着便携式电子设备的广泛普及，并随着这些电子设备变得更小、更薄和更轻，对用作其电源的体积小、重量轻的并且可以长时间充电和放电的二次电池进行了积极的研究。

当锂离子嵌入阴极和阳极以及从阴极和阳极脱嵌时，锂二次电池通过氧化反应和还原反应产生电能，使用能够使锂离子嵌入和脱嵌的材料作为阳极和阴极，并且通过在阴极和阳极之间注入有机电解液或聚合物电解液来制造锂二次电池。

目前广泛使用的有机电解液可以包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯，二甲氧基乙烷、γ-丁内酯、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、乙腈等。然而，由于有机电解液通常容易挥发并且高度易燃，因此当将有机电解液应用于锂离子二次电池时，存在高温稳定性方面的问题，例如由于过度充电和过度放电导致内部发热时的内部短路而引起的着火。

此外，在初始充电期间，通过将从阴极的锂金属氧化物释放的锂离子移动到阳极的碳电极而使锂离子嵌入碳中。在这种情况下，由于锂离子具有高反应性，因此锂离子与阳极活性物质的碳颗粒的表面和电解液反应，从而在阳极表面上形成一种被称为固体电解质界面(solid electrolyte interface，SEI)膜的涂层。

锂二次电池的性能很大程度上取决于有机电解液的组成和由有机电解液和电极的反应所形成的SEI膜。即所形成的SEI膜抑制碳材料与电解液溶剂的副反应，例如，在阳极的碳颗粒的表面上抑制电解液的分解，防止由于电解液溶剂一同嵌入阳极物质中而导致的阳极物质的塌陷(collapse)，并且还履行了作为锂离子通道的常规作用，从而使电池的劣化最小化。

因此，已经尝试了各种研究来开发包括用于稳定SEI膜的各种添加剂的新型有机电解液。

另一方面，作为锂二次电池的阴极活性物质，主要使用含锂的钴氧化物(LiCoO₂)，此外，还使用具有层状晶体结构的如LiMnO₂和具有尖晶石晶体结构的LiMn₂O₄的含锂的锰氧化物以及含锂的镍氧化物(LiNiO₂)。

根据伴随着充电放电循环的体积变化，LiNiO₂基阴极活性物质显示出晶体结构的快速相变，当LiNiO₂基阴极活性物质暴露于空气和湿气中时，其表面上的耐化学性迅速劣化，并且在储存或循环期间产生过量的气体，因此，由于这些问题，目前LiNiO₂基阴极活性物质的商业化受到限制。

因此，已经提出了一种其中镍被其他过渡金属(如锰和钴等)部分取代的锂过渡金属氧化物。金属取代的镍基锂过渡金属氧化物具有更好的循环特性和容量特性的优点，但是在这种情况下，在长期使用中，循环特性也会迅速恶化，并且不能充分解决诸如由电池中产生的气体造成膨胀(swelling)和化学稳定性差之类的问题。特别地，镍含量高的锂镍基过渡金属氧化物在储存或循环期间产生过量的气体，使得电池在高温下表现出严重的膨胀现象并且稳定性低。

因此，为了解决在高温下使用适合较大容量的锂镍基阴极活性物质的稳定性问题，已经提出了一种解决方案，其通过添加在现有技术中公知的碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯等作为电解液添加剂形成SEI膜来改善电池的寿命特性和在高温下的稳定性。

然而，当这些材料用于包含镍基锂过渡金属氧化物作为阴极活性物质的电池时，存在的问题是，高温下的膨胀现象和稳定性下降变得更加严重。