[發明專利]用于鋰金屬電池的電解質溶液和鋰金屬電池

無效

• 申請號: 201410113908.3
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN104078706A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 中本博文;河村芳海
• 申請（專利權）人: 豐田自動車株式會社
• 主分類號: H01M10/056
• 分類號: H01M10/056
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;董文國

技術領域

本發明涉及用于鋰金屬電池中的電解質溶液。

背景技術

近來，尖端電子行業的發展已允許將電子設備制得更小更輕，從而使得移動電子裝置的使用廣為擴展。現今，隨著對為此類移動電子裝置供電的具有高能量密度的電池不斷增長的需求，對鋰二次電池的研究正在積極地進行之中。

在這些當中，其中采用鋰金屬作為負電極的鋰金屬電池值得一提，因為它們能夠獲得高容量。由于鋰具有0.54g/cm³的低密度并且還具有-3.054V(使用標準氫電極(SHE)作為參比電極)的非常低的標準還原電勢，因而其作為用于高能量密度電池的電極材料吸引了人們的注意。

以前在用于鋰金屬電池的電解質中使用有機溶劑。然而，在有機電解質溶液中，負電極處的鋰以樹枝狀形式析出，這往往導致內部短路。此外，由于化學活性的鋰金屬與易燃的有機溶劑一起存在，因而難以確保能承受實際使用的安全水平。

隨著對安全性的期望的日益增加，阻燃電解質溶液的開發正在進行當中。在此類研究中，離子液體已顯現出作為阻燃電解質溶液的前景。這樣的離子液體包括N-甲基-N-丙基哌啶雙(三氟甲磺酰基)酰胺(PP13TFSA)(日本專利申請公開第2011-14478號(JP2011-14478A))和N，N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)銨雙(三氟甲磺酰基)酰胺(DEMETFSA)(日本專利申請公開第2011-003313號(JP2011-003313A))。如本文所用的，“離子液體”指僅由作為陽離子和陰離子的組合的離子型分子構成的物質，并且指在常溫(15℃至25℃)下為液體的物質。

發明內容

通過使用離子液體如PP13TFSA或DEMETFSA作為用于鋰金屬電池的電解質溶液，獲得了比以前高的安全性，但使用常規離子液體如PP13TFSA或DEMETFSA作為電解質溶液的鋰金屬電池在電池功率和容量方面仍不盡如人意。因此，存在對能夠進一步提高鋰金屬電池的功率和容量的電解質溶液的需要。

已對提高鋰金屬電池的功率和容量的電解質溶液進行了廣泛的研究。結果已發現，具有以下陽離子的離子液體具有比常規離子液體低的鋰金屬溶解/析出電阻并因此提高鋰金屬電池的功率和容量，所述陽離子包含氮原子和醚基團，在所述陽離子的中心處的氮原子和在所述醚基團上的氧原子布置為單個碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之間。

因此，本發明提供了一種用于鋰金屬電池的電解質溶液，所述電解質溶液包含具有陽離子的離子液體，所述陽離子包含氮原子和醚基團。位于所述陽離子的中心處的氮原子和在所述醚基團上的氧原子布置為單個碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之間。

本發明提供的用于鋰金屬電池的電解質溶液具有低的鋰金屬溶解/析出電阻。

附圖說明

本發明的示例性實施方案的特征、優點以及技術和工業重要性將在下文結合附圖描述，在附圖中，相同的附圖標記表示相同的要素，且其中：

圖1為示出本發明的實施例和對比例中制得的電解質溶液的鋰溶解/析出電阻的圖；和

圖2為示出本發明的實施例中制得的電解質溶液的鋰溶解/析出電阻的圖。

具體實施方式

使用包含迄今使用的離子液體PP13TFSA或DEMETFSA的電解質溶液的鋰金屬電池在電池功率和容量方面不盡如人意。

在應對這一挑戰時，本發明人已發現，通過在電解質溶液中使用包含以下陽離子的離子液體，獲得了比以前可能的低的鋰金屬溶解/析出電阻(鋰金屬負電極電阻)，從而使得鋰金屬電池的功率和容量得到改善，所述陽離子包含氮原子和醚基團，其中在所述陽離子的中心處的氮原子和在所述醚基團上的氧原子布置為單個碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之間。

所述離子液體，其具有包含氮原子和醚基團的陽離子，在所述陽離子的中心處的氮原子和在所述醚基團上的氧原子布置為單個碳原子位于所述氮原子和所述氧原子之間，可包括下式(1)的季銨陽離子。

(在上式中，R1、R2、R3和R4中的至少一個基團含有1至7個碳原子、氫原子和1至3個氧原子。在該陽離子的中心處的氮原子和存在于含有氧原子的至少一個基團中并且最靠近所述氮原子的氧原子布置為其間有單個中間碳原子。優選地，在該陽離子的中心處的氮原子和存在于含有氧原子的所有基團中并且最靠近所述氮原子的氧原子布置為其間有單個中間碳原子。另外，剩余的基團中的每一個含有1至8個碳原子、氫原子和0至3個氧原子，并且R1、R2、R3和R4上含有的氧原子的最大總數為12。)