[发明专利]用于锂金属电池的电解质溶液和锂金属电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于锂金属电池中的电解质溶液。

背景技术

近来，尖端电子行业的发展已允许将电子设备制得更小更轻，从而使得移动电子装置的使用广为扩展。现今，随着对为此类移动电子装置供电的具有高能量密度的电池不断增长的需求，对锂二次电池的研究正在积极地进行之中。

在这些当中，其中采用锂金属作为负电极的锂金属电池值得一提，因为它们能够获得高容量。由于锂具有0.54g/cm³的低密度并且还具有-3.054V(使用标准氢电极(SHE)作为参比电极)的非常低的标准还原电势，因而其作为用于高能量密度电池的电极材料吸引了人们的注意。

以前在用于锂金属电池的电解质中使用有机溶剂。然而，在有机电解质溶液中，负电极处的锂以树枝状形式析出，这往往导致内部短路。此外，由于化学活性的锂金属与易燃的有机溶剂一起存在，因而难以确保能承受实际使用的安全水平。

随着对安全性的期望的日益增加，阻燃电解质溶液的开发正在进行当中。在此类研究中，离子液体已显现出作为阻燃电解质溶液的前景。这样的离子液体包括N-甲基-N-丙基哌啶双(三氟甲磺酰基)酰胺(PP13TFSA)(日本专利申请公开第2011-14478号(JP2011-14478A))和N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)铵双(三氟甲磺酰基)酰胺(DEMETFSA)(日本专利申请公开第2011-003313号(JP2011-003313A))。如本文所用的，“离子液体”指仅由作为阳离子和阴离子的组合的离子型分子构成的物质，并且指在常温(15℃至25℃)下为液体的物质。

发明内容

通过使用离子液体如PP13TFSA或DEMETFSA作为用于锂金属电池的电解质溶液，获得了比以前高的安全性，但使用常规离子液体如PP13TFSA或DEMETFSA作为电解质溶液的锂金属电池在电池功率和容量方面仍不尽如人意。因此，存在对能够进一步提高锂金属电池的功率和容量的电解质溶液的需要。

已对提高锂金属电池的功率和容量的电解质溶液进行了广泛的研究。结果已发现，具有以下阳离子的离子液体具有比常规离子液体低的锂金属溶解/析出电阻并因此提高锂金属电池的功率和容量，所述阳离子包含氮原子和醚基团，在所述阳离子的中心处的氮原子和在所述醚基团上的氧原子布置为单个碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之间。

因此，本发明提供了一种用于锂金属电池的电解质溶液，所述电解质溶液包含具有阳离子的离子液体，所述阳离子包含氮原子和醚基团。位于所述阳离子的中心处的氮原子和在所述醚基团上的氧原子布置为单个碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之间。

本发明提供的用于锂金属电池的电解质溶液具有低的锂金属溶解/析出电阻。

附图说明

本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性将在下文结合附图描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，且其中：

图1为示出本发明的实施例和对比例中制得的电解质溶液的锂溶解/析出电阻的图；和

图2为示出本发明的实施例中制得的电解质溶液的锂溶解/析出电阻的图。

具体实施方式

使用包含迄今使用的离子液体PP13TFSA或DEMETFSA的电解质溶液的锂金属电池在电池功率和容量方面不尽如人意。

在应对这一挑战时，本发明人已发现，通过在电解质溶液中使用包含以下阳离子的离子液体，获得了比以前可能的低的锂金属溶解/析出电阻(锂金属负电极电阻)，从而使得锂金属电池的功率和容量得到改善，所述阳离子包含氮原子和醚基团，其中在所述阳离子的中心处的氮原子和在所述醚基团上的氧原子布置为单个碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之间。

所述离子液体，其具有包含氮原子和醚基团的阳离子，在所述阳离子的中心处的氮原子和在所述醚基团上的氧原子布置为单个碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之间，可包括下式(1)的季铵阳离子。

(在上式中，R1、R2、R3和R4中的至少一个基团含有1至7个碳原子、氢原子和1至3个氧原子。在该阳离子的中心处的氮原子和存在于含有氧原子的至少一个基团中并且最靠近所述氮原子的氧原子布置为其间有单个中间碳原子。优选地，在该阳离子的中心处的氮原子和存在于含有氧原子的所有基团中并且最靠近所述氮原子的氧原子布置为其间有单个中间碳原子。另外，剩余的基团中的每一个含有1至8个碳原子、氢原子和0至3个氧原子，并且R1、R2、R3和R4上含有的氧原子的最大总数为12。)