[发明专利]非水性电解质及其锂二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂二次电池的非水性电解质溶液和使用其的锂二次电池，所述电解质溶液包含氟化碳酸亚乙酯和嘧啶基化合物。

本申请要求于2011年7月18日在韩国提交的韩国专利申请第10-2011-0071048号的优先权，其全部内容通过引用的方式纳入本文。

此外，本申请要求于2012年7月18日在韩国提交的韩国专利申请第10-2012-0078055号的优先权，其全部内容通过引用的方式纳入本文。

背景技术

近来，人们对储能技术的兴趣与日俱增。随着储能技术扩展至诸如移动电话、摄像机和笔记本电脑等设备，还扩展至电动汽车，对用作这类设备的电源来源的电池的高能量密度的需求日益增加。锂二次电池最能满足所述需求，因此，目前正对锂二次电池进行积极研究和开发。

在目前使用的二次电池中，在20世纪90年代初开发的锂二次电池包括由能够嵌入或脱嵌锂离子的碳材料制成的阳极、由含锂氧化物制成的阴极、和通过将合适量的锂盐溶解在混合的有机溶剂中而获得的非水性电解质溶液。

锂二次电池的平均放电电压为约3.6至3.7V，其与其他电池如碱性电池或镍镉电池相比具有高放电电压的优点。为了提供这种高驱动电压，需要在0-4.2V的充电/放电电压范围内电化学稳定的电解质组合物。为此，将环状碳酸酯化合物(例如碳酸亚乙酯和碳酸异丙烯酯)与直链碳酸酯化合物(例如碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯)适当混合的混合溶剂用作电解质溶液的溶剂。典型的电解质溶液使用诸如LiPF₆、LiBF₄和LiClO₄等锂盐作为溶质，所述锂盐在电池中起到锂离子的供给源的作用，从而可以使锂电池运行。

在锂二次电池的初始充电过程中，从阴极活性材料如锂-金属氧化物释放出的锂离子被转移到阳极活性材料如石墨，并且插入在阳极活性材料层之间。此时，高反应性的锂在阳极活性材料如石墨的表面上与电解质溶液和阳极活性材料中存在的碳反应，从而产生化合物如Li₂CO₃、Li₂O和LiOH等。所产生的化合物在阳极活性材料如石墨的表面上形成一种固体电解质界面(SEI，Solid Electrolyte Interface)层。

SEI层起到离子通道的作用，只容许锂离子穿过。由于这种离子通道的作用，SEI层防止了具有大分子量的有机溶剂分子——其包含在电解质溶液中并且与锂离子一起转移——插入到阳极活性材料层之间而破坏阳极结构。其结果是，阻止了电解质溶液和阳极活性材料之间的直接接触，以防止电解质溶液的分解和可逆地保持电解质溶液中存在的锂离子的量，从而使充电/放电稳定。

然而，在形成SEI层的反应过程中，碳酸酯基有机溶剂可分解产生气体如CO、CO₂、CH₄和C₂H₆，这可导致进行充电的电池厚度膨胀。此外，当电池在完全充电的状态下置于高温下时，由于电化学能量和热能随着时间增加，SEI层可缓慢分解，从而引起在阳极表面和周边电解质溶液之间连续的副反应并且连续产生气体。其结果是，可使电池的内压增加，由此增加电池的厚度，从而造成配有电池的电子设备例如移动电话和笔记本电脑出现安装上的问题。因此，SEI层在高温下具有较差的稳定性。此外，在常规的含有大量的碳酸亚乙酯的锂二次电池中，SEI层的不稳定性可加剧电池的内压上升问题。此外，碳酸亚乙酯具有较高的凝固点(37至39℃)并在室温下保持固体状态，在低温下具有低的离子导电率。因此，使用含有大量碳酸亚乙酯的非水溶剂的锂电池在低温下具有较差的导电性。

为了克服所述问题，已经尝试了改变碳酸酯基有机溶剂的组成或将溶剂与特定添加剂混合以改变形成SEI层的反应。然而，已知改变溶剂组成或添加特定化合物可改善电池的某些性能，但是也可劣化电池的其它性能。

因此，需要开发能够提供循环寿命、低温和高温放电、以及高速率充电/放电特性均优异的锂电池的非水性电解质溶液组合物。

发明内容

技术问题

本发明旨在解决上述现有技术的问题，因此，本发明的一个目的是提供一种改善了在室温和高温下的循环寿命的用于锂二次电池的非水性电解质溶液、和使用其的锂二次电池。

技术方案