[发明专利]用于高能阳极的新型电解质组合物

说明书

本发明涉及一种用于具有至少一个阴极和至少一个阳极的锂离子电池的电解质组合物，涉及一种包含该电解质组合物的锂离子电池以及含氟碳酸酯组分和硝酸锂用于改善锂离子电池的循环稳定性和/或提高锂离子电池的功率的用途。

在现有技术中已知的用于锂离子电池(LIB)的阳极大多由石墨碳构成，该石墨碳提供372 mAh/g的理论容量。对于阴极，通常使用锂-金属氧化物化合物作为活性材料，例如锂钴二氧化物LiCoO₂、锂镍二氧化物LiNiO₂、锂锰二氧化物LiMnO₂、锂锰四氧化物LiMn₂O₄、锂镍锰氧化物Li_1.0Ni_0.5Mn_1.5O₄、锂镍锰钴氧化物LiNi_0.33Mn_0.33Co_0.33O₂和高能-锂镍锰钴氧化物Li_1.2Ni_0.176Mn_0.524Co_0.100O₂。所述两种电极，即阳极和阴极，都是通过液态的非水电解质(即聚合物或凝胶电解质)相互连接的。

所述液态的非水电解质大多具有一种或多种有机溶剂和溶解在其中的锂盐。所述锂盐例如为六氟磷酸锂(LiPF₆)、四氟硼酸锂(LiBF₄)、高氯酸锂(LiClO₄)、六氟砷酸锂(LiAsF₆)和二草酸硼酸锂(LiBOB)。所述有机溶剂通常为以下溶剂的组合：碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、四氢呋喃(THF)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)和2-甲基四氢呋喃(2Me-THF)。

US 2012/0129054 A1公开了一种硅阳极电池，其电解质组合物尤其具有氟代碳酸乙烯酯(也称作FEC)作为添加剂。

Aurbach等人(Langmuir，2012，28，6175至6184)曾表明，向具有双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锂作为导电盐和二氧戊烷(Dioxalan)作为溶剂的电解质中添加硝酸锂LiNO₃导致了锂离子电池的功率升高，其中使用硅纳米线作为阳极材料。

为了提高锂离子电池的能量密度，不仅电极材料而且电解质组合物都可被改变或调整。改善阳极比容量的可能性是，使用能够与锂形成化合物的元素如硅、锡、锑、铝、镁及其合金。通过这些化学元素和化合物可以比在石墨碳的情况下可逆地存储更多的锂。硅阳极例如在室温下具有3578mAh/g的理论容量。然而在应用这种新型阳极材料时，由于特定的锂存储机制(转化反应)而在锂化(Lithiierung)和脱锂化(Delithiierung)期间导致高达300至400体积％的显著的阳极体积变化。但是，由于在重复锂化和脱锂化期间的阳极的体积变化，在第一循环期间于阳极表面上形成的亦被称为SEI(固体电解质界面)的表面层被机械地和/或化学地损坏，并因此必须重新形成。这尤其导致锂离子电池持续的容量损失。

因此，本发明特别要解决的问题是克服上述缺陷，并且尤其提供一种适合的电解质组合物，其能够形成改善的、特别耐用的、在第一循环期间于阳极表面上形成的亦被称为SEI(固体电解质界面)的表面层。因此，应当特别通过该电解质组合物来防止所述表面层在多次运行的循环之后，即在多次充电和放电过程之后，被机械地和/或化学地损坏并且必须再次重新形成。尤其应当提供使用寿命和/或循环稳定性改善的锂离子电池。

本发明的技术问题通过独立权利要求得以解决。

根据本发明，设置一种用于锂离子电池的电解质组合物，该锂离子电池具有至少一个阴极和至少一个阳极，优选高能阳极，其中所述电解质组合物包含(i)至少一种非质子性的非水溶剂、(ii)含氟的环状碳酸酯组分和(iii)至少两种锂盐，其中一种锂盐为硝酸锂。

根据本发明，术语“含氟的环状碳酸酯组分”被理解为环状的碳酸酯类，其通过化学式R1-O-(C＝O)-O-R2来表示，其中基团R1和R2彼此共价键连接并且优选与两个至四个碳原子、优选与两个碳原子形成烃链，其中所述烃链具有至少一个，优选正好一个氟原子作为取代基。