[发明专利]含有(2,2,3,3‑四氟丙基)碳酸乙酯的锂电池电解质溶液

说明书

本发明涉及用于锂电池的非水性电解质溶液。

锂电池广泛用作车辆和许多类型的电子设备的一次和二次电池。这些电池组倾向于具有高能量和低功率密度并且因为所述原因而在许多应用中使用。

原则上，通过增加电池的工作电压可增加电池的能量和功率密度。为此目的，已开发阴极材料，其具有4.5V或更大的工作电位(相较于Li/Li⁺)。

锂电池中的电解质溶液必然地为非水性类型的。非水性电解质溶液总体上为在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐的高介电常数溶液。

电解质溶液的一个重要属性是其必须在初始电池充电循环期间在阳极上形成稳定的固体电解质界面(SEI)层。SEI层用于保护阳极免于与电解质溶液的另外的不必要反应且因为所述原因，SEI层对于电池性能至关重要。如果没有SEI层形成或如果SEI层并不致密或不稳定，那么电池将不佳地操作(如果可操作)。

SEI形成涉及电解质溶液各种组分的复杂电化学反应。这些反应未被完全理解且取决于电解质溶液含有的特定材料而变化。阳极和阴极电压也起到作用。由于反应如此复杂，所以极难以预测特定候选溶剂将形成SEI层的好坏程度。实际上，在SEI形成方面，即使不同溶剂在化学上非常相似时，其表现也非常不同。举例来说，碳酸酯常用作电解质溶剂。在这些溶剂中，碳酸亚乙酯在一些工作电位下是相对良好的SEI形成剂，但其它碳酸酯却并非如此。

添加剂有时加入基于碳酸酯的电解质溶液以促进SEI形成。一系列化合物已尝试作为基于碳酸酯的溶剂系统中的SEI促进添加剂，其成功程度不同。其性能往往极大地取决于电解质溶液中存在的其它材料。许多SEI促进添加剂在特定溶剂系统中很好地起作用而在其它溶剂中不佳地起作用。

因为这些原因，极难预测特定电解质溶液将形成有效SEI层的好坏程度。

在形成SEI层以后，重要的是溶液在电池操作条件下尽可能地化学稳定、电稳定和热稳定。如果电解质溶液降解，那么电池的容量将随时间减小。对于所谓的“二次”电池(其被被设计成在其使用寿命期间多次再充电)，容量的这种损失变成严重问题。这在每个连续放电循环期间限制电池性能并减少电池可充电和放电的次数。结果是显著减少电池使用时间。

因此，电池电解质溶液必须能够首先在阳极反应来形成稳定SEI层，并且其后反应尽可能少，因此电池性能最大化。

电解质稳定性的问题随着阴极的工作电位增加而变得更明显，因为在较高电压下越来越少的材料为电化学稳定的。当工作电位小于3伏时，存在相对大量的可用电池电解质溶剂。随着较新阴极材料被开发，工作电位已提高到超过4伏(相对于Li/Li⁺)。在这些电位下，许多电解质溶剂无法使用，因为其电化学地降解。更为较新的阴极材料(如富锂和分层型)具有4.5伏或更高(相较于Li/Li⁺)的工作电位。在这些电位下，极难发现形成良好SEI层且具有良好循环稳定性的电池电解质溶液。即使碳酸亚乙酯也容易在这些电位下发生降解。

在一个方面中，本发明为电池电解质溶液，其包含至少一种溶解于非水性溶剂相中的锂盐，其中至少10重量％的非水性溶剂相为(2，2，3，3-四氟丙基)碳酸乙酯。

本发明此外为包含阳极、阴极、安置于阳极与阴极之间的分离器以及与阳极和阴极的非水性电池电解质溶液接触的电池，其中电池电解质溶液包含至少一种溶解于非水性溶剂中的锂盐，且非水性溶剂相的总重量的至少10％为(2，2，3，3-四氟丙基)碳酸乙酯。

已发现本发明的电解质溶液在锂电池中形成有效且稳定的SEI层。根据本发明的锂电池具有极良好能量和功率密度，以及极好的倍率性能。本发明的显著优点在于循环性能。在通过多次充放电循环之后，本发明的电池保持明显高比例的其初始容量。

本发明的电解质溶液在电池中具有特定优点，其中在电池阴极中的至少一种阴极材料具有相较于Li/Li⁺至少4.5V的工作电压。因此，本发明的优选的电池具有包含此类阴极材料的阴极。

当(2，2，3，3-四氟丙基)碳酸乙酯以与一或多种其它溶剂的混合物形式存在时，获得尤其良好的结果。一种此类混合物为(2，2，3，3-四氟丙基)碳酸乙酯、4-氟乙烯碳酸酯以及碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中的任一者或两者的混合物。在此类实施例中，这些组分在一起可构成溶剂相的总重量的80％或更大。