[发明专利]用于具有含硅电极的电化学电池的电解质

说明书

本申请涉及用于具有含硅电极的电化学电池的电解质。本文中提供了用于包括含硅电极的电化学电池的电解质组合物以及包含所述电解质组合物的电化学电池。所述电解质组合物包含锂盐、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、线型碳酸酯、碳酸亚乙烯酯和氟硅烷添加剂。FEC和线型碳酸酯在电解质组合物中以约1:3v/v至约1:9v/v的比率存在。

技术领域

本公开涉及用于具有含硅电极的电化学电池(electrochemical cells)的电解质组合物和包含所述电解质组合物的电化学电池。

背景技术

本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

高能量密度电化学电池例如锂离子电池组(batteries)可用于各种消费产品和车辆例如混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池组包括第一电极(例如阴极)、相反极性的第二电极(例如阳极)、电解质材料和隔离件。常规锂离子电池组通过在负电极与正电极之间可逆地传送锂离子来工作。在负电极与正电极之间设置隔离件和电解质。电解质适于传导锂离子并可以是固体、半固体或液体形式。锂离子在电池组充电过程中从阴极(正电极)向阳极(负电极)移动并在电池组放电时以相反方向移动。为方便起见，负电极将与阳极同义使用，尽管如本领域技术人员所认同的那样，在锂离子循环的某些阶段期间，阳极功能可能与正电极而非负电极相关联(例如负电极可能在放电时是阳极并在充电时是阴极)。

在各个方面中，电极包含电活性材料。负电极通常包含能够充当用作锂离子电池组的负极端子的锂主体材料的电活性材料。常规负电极包含所述电活性锂主体材料和任选地另一种导电材料，例如炭黑颗粒，以及一种或多种聚合物粘合剂材料以将锂主体材料和导电颗粒保持在一起。

用于形成锂离子电化学电池中的负电极(例如阳极)的典型电活性材料包括锂-石墨嵌入化合物、锂-硅合金、锂-锡化合物和其它锂合金。尽管石墨化合物最常见，但最近对具有高比容量(与常规石墨相比)的阳极材料越来越感兴趣。例如，硅具有最高的已知理论锂容量之一，使其作为可再充电锂离子电池组的负电极材料成为石墨的最有吸引力的替代品之一。但是，当前的硅阳极材料具有严重的缺点。例如，含硅材料在锂插入/脱出(例如嵌入和脱嵌)过程中发生大体积变化(例如体积膨胀/收缩)。此外，基于硅的电活性材料的初始锂化过程可促进表面粗糙度的提高。此外，在硅电活性材料的连续充电和放电循环过程中可能发生额外的体积变化。这样的体积变化可导致电活性材料的疲劳开裂和爆裂。这可能潜在地导致含硅电活性材料和电池组电池的其余部分之间的电接触的丧失以及电解质的消耗以形成新的固体电解质界面(SEI)，造成电化学循环性能的降低、降低的库仑电荷容量保持率(容量衰减)和有限的循环寿命。

此外，在具有包含碳酸氟代亚乙酯(FEC)的电解质的含硅电化学电池的循环过程中，可能产生气体。这些气体可能引起安全问题并降低含硅电化学电池、特别是软包电池(pouch cells)的循环寿命。

期望开发用于在高能量和高功率锂离子电池组中使用的电化学电池(特别是包括包含硅的电极)的电解质，其克服阻碍它们广泛商业使用的当前缺点。因此，期望开发用于具有包含硅或其它在锂离子循环期间经历显著体积变化的电活性材料的电极的电化学电池中的电解质，其能够在具有长寿命的商业锂离子电池组中最小化气体产生和最小化容量衰减且最大化充电容量。对于长期和有效使用，高比容量电极材料例如硅对于长期用于锂离子电池组中应当能够最小化容量衰减并最大化充电容量。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

在某些方面中，本公开提供了一种用于电化学电池的电解质组合物。所述电解质组合物包含锂盐、碳酸氟代亚乙酯(fluoroethylene carbonate, FEC)、线型碳酸酯(linear carbonate)、碳酸亚乙烯酯(vinylene carbonate)和氟硅烷添加剂。FEC与线型碳酸酯可以以约1:3v/v至约1:9v/v的比率存在。氟硅烷添加剂在结构上对应于式I：

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