[發明專利]鋰離子電池電解液

無效

• 申請號: 200810087478.7
• 申請日: 2008-03-28
• 公開（公告）號: CN101276939A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: I·C·哈拉萊
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作公司
• 主分類號: H01M10/40
• 分類號: H01M10/40;H01M10/36;H01M10/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 段曉玲;韋欣華

技術領域

本發明涉及鋰離子電池。

背景技術

可再充電的鋰離子電池廣泛應用于便攜式電池應用中，在靜止和輸送應用的大尺寸電池中也可以找到其應用。鋰是具有高電正性(-3伏特對標準氫電極)的輕元素。電正性特征可以用于提供具有高開路電壓的電池。此外，基于輕鋰金屬或鋰基合金作為活性陽極材料的電池可以提供相對高水平的電能/單位電池重量或電能/單位電池體積的電池。

可再充電的鋰離子電池具有不同的實施方案。一種實施方案包括在其結構或組成中包含鋰金屬或鋰合金的陽極。這種電池進一步包含非水的含鋰離子的電解液和包含例如Li_xMO₂(其中M為過渡金屬，例如鈷、鎳或錳)的陰極。在該電池元件組合的充電過程中，隨著陰極中過渡金屬組分(M)氧化態的增加，鋰離子從陰極材料中除去。在陰極還原(電池放電)的過程中隨著過渡金屬組分的氧化態的降低，鋰離子插入陰極。如上所述，這些電化學電池提供了較高的電壓和較高的能量密度性能。

鋰離子電池中的電解液可以是液體，包含非水溶劑，其中固體鋰鹽(例如六氟磷酸鋰(LiPF₆))溶解在有機溶劑(例如碳酸亞乙酯或碳酸亞丙酯)中。

為了適用于汽車應用，鋰電池需要超出消費電子品和便攜式計算機中對于小尺寸電池應用需求的性能特征。例如，其必須在較寬的溫度范圍內(包括相當低的溫度)提供適合的電能。鋰離子電池的汽車應用將受益于提供這種行性能特征的電解液材料。

發明內容

適用于鋰離子電池電解液(lithium-ion?battery?electrolyte)(尤其對于車輛應用)的溶劑優選具有所有以下特征：對電解液中所用的特定鋰鹽(一種或多種)具有充分的溶解性；在這種鋰鹽(一種或多種)存在下的化學穩定性；大的電化學穩定性窗口(通常＞4V)；低溫熔點(θ_M＜-20℃)；相對低的粘度(η＜4cP，當且僅當介電常數ε_r＞20時大于4cP)；高溫沸點(θ_B＞+100℃)；高于常溫的閃點(θ_FL＞+37℃)；低蒸汽壓(在常溫下通常＜1托)；適當的健康和可燃性等級；和低成本。

采用六氟磷酸鋰(LiPF₆)作為電解液的鋰鹽，對五種具有改進的低溫性能的用于鋰離子電池電解液的基本不含水的溶劑化合物進行了評價，發現組合了上述列出的性能需求。這些溶劑化合物是γ-戊內酯、乙酸甲基異丁酰基酯、乙酸2-甲氧基乙酯、乙酸2-乙氧基乙酯或草酸二乙酯。這些化合物可以單獨用作電解液溶劑。其可以相互混合使用，和/或與其它材料混合構成適用于鋰離子電池應用的電解液組合物。但依照本發明，這五種化合物中的一種或多種往往用作電解液溶劑的主要組分(principal?constituent)。例如，將適合的鋰鹽(例如六氟磷酸鋰)以適當的濃度(例如約0.5M～約1M濃度)溶解在這些化合物中的至少一種中，以形成鋰離子電池的電解液。已經發現這些化合物在含鋰鹽的電解液中性能良好。

依照本發明的優選的實施方案，這五種上述的酯化合物中的一種或多種是電解液溶劑的主要組分，構成了該電解液溶劑的至少50體積％，優選地構成電解液溶劑的90～95體積％。然而，可以將這些主要溶劑組分中的一種或多種與例如一種或多種碳酸酯化合物溶劑結合使用，以達到例如對于電池性能的優選總溶劑導電性或粘度。適合的碳酸酯溶劑的實例包括碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸乙基甲基酯。較少量碳酸酯溶劑的添加可以例如促使在電極表面上形成所需的固體電解質界面(SEI)。在其它實施方案中，主要溶劑組分可以與凝膠或聚合組分在電解質空間中結合使用，但所述化合物中的至少一種是用于鋰鹽的主要溶劑組分。而且，該主要溶劑組分可以包含適合的阻燃劑添加劑等。

因此，在本發明的一種實施方案中，鋰離子電池可以包括含鋰金屬的陽極、基本由以適當濃度溶解在上述五種溶劑化合物的一種或多種中的鋰鹽組成的非水電解液和與陽極和電解液一起運行的陰極。

從下面的實施方案詳述中，本發明的其它目的和優點將變得更顯而易見。

附圖說明

圖1是對于在γ-戊內酯中的1M?LiPF₆，采用鉑工作電極和鋰箔反和參考電極記錄的循環伏安圖(電流密度j，μA/cm²對電勢E，V?vs.Li/Li⁺)。