[发明专利]用于含有硅电极的电化学电池的电解质配制物

说明书

本发明提供了使得能够在硅负极上形成相对更稳固的SEI膜的电解质的添加剂。看到在这些实施方案中的SEI膜部分地更稳固，因为与不具有这类添加剂的相当的电池相比，含有这些材料的电池具有更高的库伦效率和更长的循环寿命。添加剂优选含有硝酸根基团。

发明背景

本发明属于电池技术领域，并且更具体属于解决在锂离子电池中使用硅负极期间遇到的难题的电解质配制物。

锂离子电池享有相对广泛的用途，但是研究延续到改善这些电池的能量密度、容量和循环寿命。例如，已经使用硅作为负极材料以改善锂离子电池的能量密度。由于硅的高理论容量(其为4200mAh/g)，硅负极可以为锂离子电池提供高能量密度。然而，组成负极的硅粒子在电池循环期间可能会经历大的体积变化。在锂化和去锂化循环时的体积变化可以大到约300％。

这些硅负极材料的大的体积变化可能会对电池循环寿命具有负面影响。多个机制可能会导致差的循环寿命。例如，由于循环期间大的体积变化所带来的材料中的大应力，硅粒子可能会破碎。这些破碎可能会产生电隔离的粒子片段，其可能不再有利于循环期间的容量。即使当硅粒子不完全破碎时，负极材料中的大应力也可能会造成粒子的破裂和粒子表面的脱层。这些破裂和脱层可能会造成活性材料的一些部分电隔离并且不能有利于循环期间的容量。

作为失效机制的另一个实例，在硅负极粒子的表面上形成的固体电解质界面(SEI)倾向于不是机械稳固的。结果是在发生大的体积变化时粒子上的这种薄SEI层的破裂和脱层。因此，必须在每次循环时形成更多的SEI以代替破裂或脱层的SEI。但是，这是不理想的，因为不可逆地形成SEI消耗了电池容量并且产生了气体产物。通常，稳定的SEI应当在初次循环时形成并且不应当需要重新形成。

因此，存在对通过形成更机械稳固的SEI来改善循环寿命的用于锂离子电池中硅负极的电解质配制物的需求。可以通过本文所述的本发明的某些实施方案来解决这些和其他难题。

发明概述

本发明的实施方案是使得能够在硅负极上形成相对更稳固的SEI膜的电解质的添加剂。看到在这些实施方案中的SEI膜部分地更稳固，因为与不具有这类添加剂的相当的电池相比，含有这些材料的电池具有更高的库伦效率和更长的循环寿命。

本发明的实施方案包括制备这样的使用本文中所公开的添加剂的电解质的方法，组装包括这样的使用本文中所公开的添加剂的电解质的电池的方法，以及使用包括这样的使用本文中所公开的添加剂的电解质的电池的方法。

本发明的实施方案包括具有硅系负极以及包含添加剂的液体电解质溶液的电化学电池。添加剂由以下化学结构式中的一个或多个表示：

其中X是金属基团或有机基团，或

其中R₁选自由下列各项组成的组：氢、取代和未取代的C₁-C₂₀烷基、取代和未取代的C₁-C₂₀烯基、取代和未取代的C₁-C₂₀炔基、取代和未取代的C₅-C₂₀芳基、氢化物基团、卤素基团、羟基、硫基、烷基、烯基、炔基、芳基、亚氨基、烷氧基、烯氧基、炔氧基、芳氧基、羧基、烷基羰基氧基、烯基羰基氧基、炔基羰基氧基、芳基羰基氧基、烷硫基、烯硫基、炔硫基、芳基硫基、氰基、N取代的氨基、烷基羰基氨基、N取代的烷基羰基氨基、烯基羰基氨基、N取代的烯基羰基氨基、炔基羰基氨基、N取代的炔基羰基氨基、芳基羰基氨基、N取代的芳基羰基氨基、含硼基团、含铝基团、含硅基团、含磷基团和含硫基团。

几幅附图的简述

图1示出了根据本发明的一个实施方案实施的锂离子电池。

发明详述