[發明專利]用于改善低溫性質的鋰二次電池電解質和包含該電解質的二次電池

有效

• 申請號: 200680042733.5
• 申請日: 2006-11-13
• 公開（公告）號: CN101310408A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 金甫鉉;劉智相;金成宇;黃羅英;南宮檍
• 申請（專利權）人: 株式會社LG化學
• 主分類號: H01M10/40
• 分類號: H01M10/40
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 郇春艷;郭國清

技術領域

本發明涉及用于鋰二次電池的電解質和包含該電解質的二次電池。更具體而言，本發明是涉及用于鋰二次電池的電解質，其憑借電池在低溫下充電/放電在陰極-陽極界面形成電荷雙層，通過增加鋰離子-電極反應性和降低電極界面電阻而能夠改善電池的低溫性質，并因此能夠用于中/大型電池系統中，作為不得不在嚴苛條件下操作的電動車(EVs)或混合電動車(HEVs)的電源。

背景技術

對于機動設備的技術發展及需求增加導致二次電池作為能源的需求快速增加。特別是，大量的研究及調查也集中于具有高能量密度和高放電電壓的鋰二次電池。這些鋰二次電池也可市售并廣泛使用。

再者，環境關心的增加吸引了大量對電動車(EVs)和混合電動車(HEVs)的深入研究，所述電動車(EVs)和混合電動車(HEVs)能夠取代化石燃料驅動車輛，諸如汽油機輛和柴油機車，主要原因之一在于空氣污染。雖然鎳氫(Ni-H₂)電池被大量用作EVs和HEVs的電源，但是大量研究已經積極進行，以使用具有高能量密度和高放電電壓的鋰二次電池，因此有一定的商業化結果。

一般而言，鋰離子二次電池使用碳材料作為陽極活性材料和金屬氧化物諸如鋰鈷氧化物或鋰錳氧化物作為陰極活性材料，并通過在陽極和陰極之間放置多孔聚烯烴隔膜及添加包含諸如LiPF₆的鋰鹽的非水電解質來制備。隨著電池充電，鋰離子離開陰極活性材料并遷移進入該陽極的碳層。相反，隨著放電，鋰離子離開碳層并遷移進入陰極活性材料。在此，非水電解質作為介質，鋰離子通過它在陽極與陰極之間遷移。如此的非水電解質在電池的操作電壓范圍中必需穩定，并且必需具備以充分高的速率轉移離子的能力。

含鋰離子的非水電解質可以溶液的形式使用，其中鋰鹽，諸如LiPF₆，在非水電解質中易溶，溶解在環狀碳酸酯溶劑中。當這樣的非水電解質僅僅使用能夠充分離解鋰離子的高度極性的環狀碳酸酯時，這可能造成與電解質粘度增加并因而降低離子導電性有關的的問題。

因此，為了降低非水電解質的粘度，使用極性小但粘度低的線性碳酸酯的混合電解質的技術是本領域已知的。這類線性碳酸酯的代表性范例可包括碳酸二甲基酯(DMC)、碳酸二乙基酯(DEC)及碳酸乙基甲基酯(EMC)。在這些材料中，EMC具有最低的凝固點-55℃，當其被使用時發揮出優異的低溫和壽命性能。作為環狀碳酸酯的范例，可以提及的是可由碳酸亞乙酯(EC)、碳酸亞丙酯(PC)和碳酸亞丁酯(BC)所制得。尤其是，PC具有低凝固點-49℃，且因此發揮出良好的低溫性能。然而，當使用體積大的石墨化碳作為陽極，PC在充電過程中與陽極急劇反應，因此難以使用大量的PC。為此原因，主要使用在陽極形成穩定保護膜的EC。

如同上述所討論，為了加強電池的低溫性能，傳統的鋰離子二次電池通過使用低沸有機溶劑作為構成非水電解質的有機溶劑，應用其中LiPF₆鹽混合于線性或環狀碳酸酯中的非水電解質和其混合物。已知具有這樣組成的非水電解質在室溫和高溫下均表現出最穩定的電池性質。

然而，LiPF₆，其通常用作非水電解質中的鋰鹽，其在低溫下經歷Li離子和PF₆陰離子解離程度的降低。因此，使用LiPF₆作為鋰鹽的二次電池會遭遇諸如內部電池電阻急劇增加并因此降低電力輸出的缺點。

另一方面，當鋰二次電池用于EVs及HEVs時，該電池必須可操作，即便是在諸如冬季的低溫條件下也是如此，并因此需要在低溫下的優良電力輸出性質。

因此，為了防止電池低溫性能的惡化，同時保持傳統非水電解質在室溫及高溫下均顯現出穩定的電池性質的組成，需要進行傾向于向電解質添加隔離材料的研究及調查。此外，為了改善電池的低溫性能，其優選致力于防止電池在低溫下電阻增加及防止伴隨的電力輸出性質的惡化。