[发明专利]安全的电池溶剂

说明书

政府权利

按照美国能源部和Battelle Energy Alliance，LLC之间的合同No.DE-AC07-99ID13727和合同No.DE-AC07-05ID14517，美国政府在本发明上具有一定的权利。

相关申请

本申请要求2004年5月17日提交的专利申请No.10/848480的权益，因此引入作为参考。

发明背景

发明领域

本发明涉及可用作常规“液体”电池、固体电池和/或凝胶电池电解质中的液体组分/添加剂的离子-传递-增强材料。更具体地，本发明涉及包括具有聚醚、聚硫醚或含离子传递增强基团的其它基团的环磷腈的添加剂。此外，本发明的实施方案涉及可用于替代通常挥发性的、不稳定的、易燃的和/或有毒的常规电解质添加剂的液体组分/添加剂，其中常规电解质由于挥发、不稳定、易燃和/或有毒而通常存在安全和健康问题。

背景技术

电池一般包括一个或多个串联、并联或串并联连接的电化学电池，取决于所需的输出电压和容量。电池可被分成两类。原电池为单次使用的不可再充电的能量储存装置。二次电池可再充电并用于多次使用。但是，所有电池都有一些共同的特征。它们都具有阴极和阳极。还必须具有在电池充电或放电时能在电极之间传递离子的离子载体。

离子传递材料可为电解质溶液或聚合物。在锂离子电池工业中，在商业电池中使用这两种离子传递机制。

以电解质溶液为特征的电池一般被称为“液体”电池，并包括被多孔聚合物隔膜分开的阴极和阳极。布置在电极之间的电解质溶液在阴极和阳极之间传递离子。典型的溶剂为有机碳酸酯如碳酸亚乙酯、碳酸二亚乙酯等的混合物，最常用的电解质为LiPF₆。但是，也可使用LiBF₄和LiClO₄。

聚合物电池具有相同的总体设计，除了隔膜和自由溶液被固体聚合物电解质(SPE)或吸收了传统电解质溶液的聚合物“海绵”代替外。聚合物电池的优点在于它们可被制得比常规电池薄。另外，由于它们没有自由溶液，因此它们不需要硬壳。因此，它们可被制成柔性形式。

通过将悬浮在溶剂和聚合物粘合剂中的细分散阴极粉末和极细分散的碳的分散体施加到衬底上来制造电池阴极。最常用的衬底为镀敷在聚酯薄膜上的铝，如可以DuPont商标Mylar得到。得到的敷金属薄膜用作阴极粉末的支撑和作为电流集电器。

阳极可由纯金属、合金或涂在敷金属薄膜上的非金属粉末制成。在二次锂电池中，薄膜为铜涂敷的聚酯。以类似于阴极的方式将非金属粉末施加到薄膜上。

锂电池可使用各种阴极和阳极。原电池最常见地包括二氧化锰阴极和锂金属阳极。二次电池一般使用锂钴氧化物阴极和碳阳极。但是，文献中描述了大量其它阴极和阳极材料，一些可在商业上得到。以下地阴极材料决不是限制性列表：锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂钴镍氧化物等。阳极可包括锂金属、碳、钛的氧化物或钒等。

在原电池中，当锂金属被氧化成锂阳离子时发生放电，锂阳离子被传递到阴极，在那里它们进入二氧化锰晶格。对这些电池再充电是不安全的。原因在于锂阳极的反复循环形成从锂金属表面长出的枝晶。这些晶须最终接触阴极，形成短路。出于这个原因，锂金属不是可再充电锂电池的常用阳极。

二次电池的充电-放电循环类似于原电池。锂阳离子离开阳极并被传递到阴极，一般是LiCoO₂，在那里它们进入晶格。充电时，锂阳离子从阴极传递到阳极。碳阳极不同于锂金属阳极。锂实际上不能被镀在碳上，因为它在锂金属上。锂离子而是被传递到碳晶格中的特定位点，在那里它们形成稳定的缔合。其它非金属阳极存在类似的机制。

迄今为止，最常见的二次锂电池为“液体”电池。它们用在蜂窝式电话、计算机和可携式摄像机应用中。其中，蜂窝式电话应用是最有前景的。当蜂窝式电话发射信号时，电池需要非常大的能量。电化学响应是产生电和从阳极释放锂阳离子。锂离子传递到阴极变成过程中的速度限制步骤。因此，优异的传递特性对电池有效地发挥作用是必需的。这是液体电池胜过聚合物电池的地方。在商业锂离子电池中使用的溶剂/电解质体系提供了非常高的锂浓度和低的粘度。因此，传递良好。不幸地是，这些体系也具有一些负面特性。根据选择的特定碳酸酯溶剂，闪点可为33℃-132℃。它们存在的其它问题是它们为挥发性的。当温度升高时，蒸汽压也增加。这两个特点在受到过热的电池中是非常大的问题。