[发明专利]卤素嵌入石墨电极的可充电锂离子电池

说明书

本公开提供包含至少一个锂盐‑石墨复合电极的可充电锂离子电池。特别地，本公开提供了一种具有高电位的可充电“双盐包水”锂离子电池，其中至少一部分锂盐与水性电解质相分离，并且阴离子‑氧化还原反应发生在石墨晶格内。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年3月6日提交的申请号为62/814,618的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在政府支持下，在能源部、能源高级研究计划署授予的DEAR0000389下完成的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本发明涉及包含锂盐-石墨复合电极的可充电锂离子电池。特别地，本发明涉及一种具有高电位的可充电“盐包水”锂离子电池，其中至少一部分锂盐与水性电解质相分离。

背景技术

锂离子电池是一种有用且强大的能量存储选择。它们的用途已扩展到各种产品，包括但不限于便携式电子产品(例如计算机、手机、扬声器等)到混合动力汽车和电动汽车。锂离子电池维护成本低，具有更高的电荷存储密度和电压，性能优于典型的铅酸电池，这是因为小的锂离子可以密集地装入阳极材料中。

最近通过“盐包水”方法在水性电解质方面取得的突破将锂离子电池的电化学电位显著扩展到3.0至4.0V范围，并使得高压阴极可与低电位石墨阳极耦合。然而，基于锂过渡金属氧化物的嵌入式阴极(intercalation cathodes)的有限重量容量(200mAh/g)构成了获得更高能量密度的基本障碍。

最先进的锂离子电池(LIB)中使用的嵌入式阴极化学物质通过在其晶格中容纳Li⁺并通过过渡金属(Ni、Co、Mn、Fe等)的阳离子氧化还原反应进行电荷补偿来储存电能，其具有优异的可逆性(长循环寿命)，但由于每个嵌入的Li⁺的摩尔质量大，并且在过度脱锂时潜在的结构不稳定性，其容量一般(200mAh g^–1)。另一方面，阴离子氧化还原反应(O/O^2-、S/S^2-等)通过遵循转化反应机制有望获得更高的容量，但通常可逆性极差，这是由于结构的反复破坏和重新形成以及每次充电/放电循环时伴随的大体积变化。这些阴离子氧化还原材料的低电子和离子电导率进一步恶化了这个问题。

最近在锂过量的过渡金属氧化物材料中发现了嵌入主体中阳离子和阴离子氧化还原机制的组合，其中氧层参与电池反应并且对过渡金属氧化物的整体容量有显著贡献。基于在嵌入主体中发生阴离子-氧化还原反应的锂电池将非常有吸引力，因为它既继承了阴离子-氧化还原转化反应的高能量，又继承了嵌入的拓扑结构的优异可逆性。“双离子”电池电解质中的PF₆^-、BF₄^-、TFSI^-阴离子可以可逆地嵌入石墨中。然而，这些氧化还原反应只发生在石墨晶格上而不是阴离子本身，从而将容量限制在120mAhg^-1以下。多孔碳中S/S_n^2-和Br^-/Br^3-阴极电解质的氧化还原是高度可逆的，但这些阴离子仅物理限制在多孔碳中/吸附在多孔碳上，从而由于不希望的穿梭反应(shuttle reaction)导致高自放电和低循环寿命。理想情况下，为了避免穿梭反应，阴离子-阴极电解质应与电解质相分离，而氧化的阴离子应通过嵌入固态主体中来稳定。然而，到目前为止，还没有发现合适的阴离子、嵌入主体和电解质来支持这种在高电位下具有足够容量的理想能量存储机制。

因此，需要一种提供更高容量和/或高电位的合适的嵌入主体和电解质。

发明内容