[发明专利]具有离子液体的电解质溶液及含有该电解质溶液的锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种含离子液体的电解质溶液，特别涉及一种具有该电解质溶液的锂电池。 

背景技术

近几年，随着锂电池跨入新能源汽车与储能系统，锂电池的市场占有率从2.5％提高到20％。如美国Zpryme公司预测，2014年全球智能电网市场规模将达1,714亿美元；在终端运用市场方面，美国派克研究(Pike Research)最新报告也指出，2015年全球公车市场，将有32,000辆采用替代能源驱动，日渐扩大的商机，将推动全球对于锂电池的大量需求。这代表着电动车与动力电池市场即将来临。因此，新型耐高温锂离子电池的设计也日趋重要。 

推广电动车用锂离子电池的关键之一在于电池的安全性，目前最被广泛使用的有机电解质溶液为高度可燃物，在电池运转过程中，有时会有电压异常或充放电失去控制的状况，导致正极材料分解释放出氧气、电解质溶液分解产生具高度反应性离子等状况，伴随着温度升高，电池即可能产生爆炸。其中有机电解质溶液中含有电解质及复杂成分的溶剂，大部份现行被广泛使用的电解质溶液在60至100℃之间即开始产生程度不一的分解反应。因此寻找耐高温、耐高电压的电解质溶液成为增进锂离子电池安全性的主要课题，其中具有特殊性质的离子溶液也成为材料候选之一。现阶段对于离子液体用于电解质溶液的研究仍然有限，仍有多种用途待开发。近几年研究发现，室温状态下的离子液体具有特殊性质，例如极低蒸气压、低熔点、高极性、不可燃性、耐强酸等特性，现有技术已证明离子液体在锂离子电池电解质溶液方面的运用，成功提高电池的热稳定性，使电池的安全性更上一层。举例而言，WO2007/104144A1公开了一种阴离子结构： 

其可以与下列阳离子形成离子液体 

但是，先前技术中使用的离子液体，在锂离子电池电解质溶液的运用中遭遇的主要难题在于，离子液体常常须添加超过50重量％（wt％）才有明显抗热效果，可是离子液体粘度常比一般电解质溶液高，所以虽然加入离子液体可以增加导电离子数，但在添加量超过50wt％时，高粘度滞碍离子移动的效应超过了离子数增加的效应，导致在较高速率充放电时，电池电容量大幅下降，所以不但直接用离子液体取代一般电解质溶液中的溶剂部份不可行，高添加量的方法也有实用上的困难。 

离子液体添加量低于50wt％的现有技术，例如Kühnel等人于2011年在Electrochimica Acta第56卷、第4092-4099页发表将1-正丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲基磺酰)酰亚胺(PYR₁₄TFSI)与聚碳酸酯依不同比例混合，并以锂双(三氟甲基磺酰)酰亚胺(LiTFSI)做为锂盐进行热重分析(Thermogravimetric Analysis)测试，其结果显示在离子液体添加量为20wt％时，即使温度仅提高 到50℃，电解质溶液即有明显热反应，与未添加时差异不大。在电导率方面，添加2wt％的PYR₁₄TFSI后，电解液电导率确实有所提高，但仅提高约0.25mS/cm(内插值)。另Zaghib等人(Journal of Power Sources，第195卷，第845-852页，2010年)也曾公开了在电解液中添加离子液体的电导率提高效果，其显示在含1M LiPF₆的EC-DEC-VC(碳酸乙烯酯-碳酸二乙酯-碳酸亚乙烯酯)电解液中添加2wt％的1-甲基-3-乙基咪唑双(三氟甲基磺酰)酰亚胺([EMI]TFSI)后，电解液电导率仅提高约0.1mS/cm(内插值)，同时热重分析显示，即使添加30wt％，热反应在50℃左右即开始发生，也与无添加者差别不大。 

此外，目前可用的离子液体大量使用以双(三氟甲基磺酰)酰亚胺(TFSI)为主的阴离子基团，其化学结构性质在高电压环境下发生裂解，适用电化学窗小于3.9V，进而影响锂离子电池在电动车与电动工具中的实用性，大部分提出的解决办法为改良并增加阳离子基团上的拉电子官能团，如F、Cl、CN等。 

因此，为了改善锂电池与电解质溶液中的上述问题，必须另寻具有高导电性、高热稳定性的离子液体，并以调合出兼顾有机电解质溶液与离子液体优点的混合电解质溶液为目标。 

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提供一种新型电解质溶液，该电解质溶液具有高导电性、高热稳定性等特点。 

为上述本发明的目的，本发明提供一种电解质溶液，包括有机溶剂、锂盐以及离子液体。 

上述离子液体具有式(I)的结构：