[发明专利]包含氧化还原梭添加剂的可再充电锂离子电池

说明书

可再充电锂离子电池具有电池容量并且包含具有再充电电位的正极和负极。可再充电锂离子电池还包含载电荷电解质。载电荷电解质包含载电荷介质和锂盐。可再充电锂离子电池还包含具有以下结构的氧化还原梭：

相关申请交叉引用

本专利申请要求2014年7月18日提交的美国临时专利申请No.62/026,212的优先权和所有权益，通过引用将其公开内容全部结合到本文中。

发明领域

本公开内容一般性地涉及可再充电锂离子电池。更具体而言，本公开内容涉及包含特定氧化还原梭(shuttle)的锂离子电池。

背景

可再充电锂离子电池可显示出优异的充电-放电循环寿命，很少或者不显示记忆效果，以及高比能和体积能。然而，锂离子电池通常显示出不能循环寿命不劣化而耐受再充电至制造商推荐的电荷电位端点以上的电位。再充电至制造商推荐的电荷电位端点以上的电位通常描述为过充电。过充电通常在迫使电流通过电池且提供的电荷超过电池的电荷储存容量时发生。锂离子电池的过充电可导致电池组件的化学和电化学降解、快速的温度提高，并且还可触发电池中的自加速反应。

为对抗这些问题，使用氧化还原梭。氧化还原梭为结合到锂离子电池中用于过充电保护的化合物。一般而言，氧化还原梭可以在轻微高于锂离子电池的正极的工作电位的电位下可逆地电化学氧化。氧化还原梭的使用容许锂离子电池在小于氧化还原梭的氧化还原电位的电压范围内正常操作。如果锂离子电池充电至超过其正常电池容量的水平(即“过充电”)，则电压首先提高至氧化还原梭的氧化还原电位，并激活氧化还原机制，其在唯一的活性组分输送过多电荷通过锂离子电池而进行，同时使损害最小化。该机制的使用抑制过充电。

研究和开发确定了关于氧化还原梭的各种选择。然而，确定具有高氧化还原电位和足够使用寿命的梭候选物证明是困难的。许多氧化还原梭倾向于随时间过去而化学降解或者妨碍正常电池操作，由此变得无用。因此，需要改进的机会。

发明概述

本公开内容提供可再充电锂离子电池，其具有电池容量且包含具有再充电电位的正极和负极。可再充电锂离子电池还包含载电荷电解质。载电荷电解质包含载电荷介质和锂盐。除以上外，可再充电锂离子电池还包含具有以下结构的氧化还原梭：

在该结构中，X为共价键(使得中心环为5元环)、硫原子(S)，或者与R⁶键合的氮原子(N-R⁶)。此外，R¹、R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸、R⁹和R¹⁰各自独立地为烷基、卤代烷基(例如单-、二-或三-卤代)、全卤代烷基、酰基、酰氧基、乙酰基、卤代乙酰基、烷芳基、烷氧基、乙酰氨基、酰氨基、芳基、芳烷基、烷基羧基、芳基羧基、烷基磺酰基、苯甲酰基、氨基甲酰基、羧基、氰基、甲酰基、卤素基团、卤代乙酰氨基、卤代酰基、卤代烷基磺酰基、卤代芳基、甲基磺酰氧基、硝基、烷基醚基团、三烷基铵烷基、磷酸根基团、膦酸根基团，或者烷基膦酸根基团，且其中R³和R⁴中的一个任选为氢原子。

发明详述