[发明专利]关于使用硫或硫化合物的电池的电解质组合物的改进

说明书

技术领域

本发明涉及包含正极(阴极)和负极(阳极)的用于化学电源的电解 质组合物。特别地，本发明的实施方案涉及可再充电的(二次)电池， 其包含提供离子的负极(由锂、钠或另一活性材料或组合物制成)(阳 极)，含有液体或凝胶电解质溶液的中间隔离元件以及含有作为电极去 极化物质(阴极活性材料)的硫、基于硫的有机或无机化合物的正极(阴 极)，在电池的充电或放电循环期间来自源电极材料的离子通过所述中 间隔离元件在电池电极间移动。本发明的实施方案还涉及含有所述电 解质的化学电源。本发明其它实施方案涉及电解质体系的组成，其含 有非水质子惰性溶剂、锂盐和改性添加剂并被设计用于锂-硫电池。

发明背景

在本申请中，通过识别引用而涉及各种专利和公开的专利申请。 本发明公开的内容引入在本申请中涉及的专利和公开的专利申请的公 开内容作为参考，以更充分地描述本发明所涉及的现有技术。

制成用于电池结构的电活性材料被称作电极。在本文中被称作化 学电源的电池中所使用一对电极中，在具有较高电化学势一侧的电极 被称为正极，或阴极，而在具有较低电化学势一侧的电极被称为负极， 或阳极。

用于阴极或正极的电化学活性材料在下文中被称为阴极活性材 料。用于阳极或负极的电化学活性材料在下文中被称为阳极活性材料。 具有电化学活性并包含电化学活性材料和任选的电子导电添加剂和粘 合剂以及其它任选的添加剂的多组分组合物在下文中被称为电极组合 物。包含具有处于氧化态阴极活性材料的阴极和处于还原态阳极活性 材料的阳极的化学电源或电池被称为处于充电状态。相应地，包含具 有处于还原态阴极活性材料的阴极和处于氧化态阳极活性材料的阳极 的化学电源被称为处于放电状态。

溶解在溶剂或溶剂混合物中以维持溶液导电性的锂、钠或其它碱 金属盐或这些盐的混合物被称为支持盐(supporting salt)。

存在可用于化学电源的阴极活性层的多种电活性材料。例如， Mukherjee等人的美国专利第5,919,587号中描述了多种上述电活性材 料。这些电活性材料的比重(g/cm³)和比容量(mAh/g)变化很大，因此这 些阴极活性层中以mg/cm³表示的电活性材料的期望体积密度相应地 在很大范围内变化。高度期望锂和硫分别作为化学电源的阳极和阴极 的电化学活性材料，因为基于活性材料的任何公知组合的重量和体积， 它们提供了几乎是最高的可能的能量密度。为了得到高的能量密度， 锂可以纯金属、合金或嵌入形式存在，并且硫可以元素硫或以高含硫 量，优选硫含量高于75％重量比的有机或无机材料组分的形式存在。 例如，与锂阳极组合，元素硫具有1680mAh/g的比容量。该高比容量 对于诸如便携式电子装置和电动车辆的应用是特别期望的，其中电池 的低重量是很重要的。

具有大阴离子锂盐的单独的质子惰性极性溶剂或溶剂混合物的溶 液被广泛用作锂和锂离子可充电电池中的电解质。这些电解质的主要 要求是：

·高导电性；

·在大的温度范围内处于液态或凝胶(凝胶电解质)态的能力；

·对电极活性材料的高稳定性；

·化学和电化学稳定性(宽的电化学稳定区域)；

·防火和爆炸安全性；

·无毒。

在以上提及的要求中，在宽的温度范围内的高导电性是主要的。 电解质的导电性是由溶剂和盐的物理和化学特性决定的。为了得到高 导电性，优选使用具有高供电子特性、高介电常数和低粘度的溶剂， 因而为锂盐提供高介电离解度。优选使用具有大阴离子锂盐，因为其 有高的离解能力。

盐溶液的导电性由其浓度决定。随着盐浓度的升高，导电性首先 升高，然后到达最大值并最终降低。盐的浓度通常选择为所得电解质 提供最大导电性[锂电池：Science and Technology(科学与技术)， Gholam-Abbas Nazri and Gianfranco Pistoia(Eds.)Kluwer Academic Published 2004.pp.509-573.]。