[发明专利]电解质、电极组合物以及由此制成的电化学电池

说明书

相关专利申请

本专利申请要求于2007年2月27日提交的U.S.S.N.11/679,591的优先权，于2007年7月12日提交的U.S.S.N.11/776,812的优先权，以及于2007年8月22日提交的U.S.S.N.11/843,027的优先权，以上文献全文均以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于电化学电池的新型电解质配方和电极组合物。

背景技术

在很多电子设备中都含有可充电式锂离子电池。大多数市售的锂离子电池都具有负极，此负极中含有如石墨等能够在充电期间通过插层反应机理结合锂的材料。此类插层反应型电极通常具有良好的循环寿命和库仑效率。然而，每单位质量的插层反应型材料可结合的锂的量却相对较低。

还已知第二类负极材料，可在充电期间通过合金化机理结合锂。虽然这些合金型材料的每单位质量通常比插层反应型材料结合更多的锂，但将锂添加到合金中通常会附带大的体积变化。一些合金型负极表现出相对较短的循环寿命和较低的能量密度。这些合金型电极的较差性能是由于电极组合物在锂化和之后的脱锂化期间产生的大体积变化所致。结合锂时所附带产生的大体积变化可导致通常形成阳极的合金、导电性稀释剂(如炭粉)、粘结剂、以及集电器之间的电接触减弱。电接触减弱继而又可导致整个电极循环寿命内的容量减少。由合金型材料制成的电极复合材料通常具有高孔隙率，很多情况下孔隙率都大于复合材料体积的50％，而在锂化过程中尤其如此。这会导致由含有这些类型材料的这些电极所制成的电化学电池的能量密度降低。

发明内容

鉴于以上所述，本发明人认识到需要包括具有延长的循环寿命和高能量密度的负极的电化学电池。

在一个方面，本发明提供包括含有碳酸亚乙烯酯添加剂的电解质和阳极组合物的锂离子电化学电池，所述碳酸亚乙烯酯添加剂具有以下结构

其中R¹为H或C₁-C₄的烷基或烯基；而所述阳极组合物包含至少以下一种：(i)包含化学式为Si_xSn_qM¹_yC_z的物质的组合物，其中q、x、y和z表示摩尔百分比，每个摩尔百分比(摩尔％)均基于除Li以外的组合物中所有元素的摩尔数，(q+x)＞2y+z，q和z≥0，M¹选自过渡金属、Y、或它们的组合，其中Si、Sn、M¹和C元素以多相微结构的形式排列，此结构包括含有Si的无定形相、含有金属硅化物的纳米晶相、含有Sn的无定形相(q＞0时)、以及含有碳化硅的相(z＞0时)；(ii)包含化学式为Si_aAl_bM²_cSn_dE¹_eIn_p的物质的组合物，其中a、b、c、d、e和p表示摩尔百分比，每个摩尔百分比均基于除Li以外的组合物中所有元素的摩尔数，M²选自过渡金属或过渡金属的组合，E¹包括Y、镧系元素、锕系元素或它们的组合，35≤a≤70，1≤b≤45，5≤c≤25，1≤d≤15，2≤e≤15，0≤p≤15，其中合金组合物是含有Si的无定形相与含有E¹和Sn的纳米晶相(p为0时)或与含有E¹、Sn和In的纳米晶相(p＞0时)的混合物；(iii)包含化学式为Sn_fE²_gE³_hA_iM³_j的物质的组合物，其中f、g、h、i和j表示摩尔百分比，每个摩尔百分比均基于除Li以外的组合物中所有元素的摩尔数，1≤f≤50，20≤g≤95，h≥3，i＝0或3≤i≤50，0≤j≤1，E²包括Si、Al、或它们的组合；E³包括Y、镧系元素、锕系元素、或它们的组合；“A”包括碱土金属元素；而M³包括选自Fe、Mg、Si、Mo、Zn、Ca、Cu、Cr、Pb、Ti、Mn、C、S、P或它们的组合的元素；或者(iv)包含化学式为Si_kCu_mAg_n的物质的组合物，其中k、m、和n表示摩尔百分比，每个摩尔百分比均基于除Li以外的组合物中所有元素的摩尔数，k≥10，m≥3，并且其中1≤n≤50。