电解质组合物

技术领域

本发明涉及电解质组合物。

背景技术

商业锂离子电池通常使用LiPF

由于制造成本和生产率，通过挤出制造锂离子电池部件是当前感兴趣的领域。挤出通常包括在高温下加工。涉及高温的电池制造的其他有用的加工技术包括热轧和热压。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于锂离子电池的电解质组合物，其包含：

(a)5-35重量％的锂盐

(b)2-10重量％的添加剂；和

(c)55-93重量％的溶剂；

其中所述锂盐包含：

(ai)选自2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、二氟(草酸)硼酸锂、双(草酸)硼酸锂和四氟硼酸锂的盐；

(aii)任选的选自双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂和/或双(氟代磺酰基)酰亚胺锂的共盐；

其中所述盐与共盐的摩尔比在100∶0和5∶95之间；

条件是所述组合物不包含双(氟代磺酰基)酰亚胺锂和二氟(草酸)硼酸锂或四氟硼酸锂；

并且其中所述添加剂包含碳酸亚乙烯酯和任选的碳酸氟代亚乙酯；

并且其中所述溶剂包含以下任一：(ci)碳酸亚乙酯和10-30摩尔％碳酸亚丙酯，或(cii)γ-丁内酯和任选的碳酸亚乙酯。

新的锂离子电池电解质组合物的鉴定并不简单。发明人已经鉴定了一系列即使在高温下也具有低挥发性的不含LiPF

在一些特定情况下，本发明提供了一种用于锂离子电池的电解质组合物，该组合物包含15-35重量％的锂盐、2-10重量％的添加剂和55-83重量％的溶剂；

并且其中

(a)所述锂盐包含5-100摩尔％的2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂或双(草酸)硼酸锂或其混合物，和0-95摩尔％的双(氟代磺酰基)酰亚胺锂；

(b)所述添加剂包含30-90摩尔％碳酸氟代亚乙酯和10-70摩尔％碳酸亚乙烯酯；并且

(c)所述溶剂包含0-90摩尔％碳酸亚乙酯和10-100摩尔％γ-丁内酯。

本发明还提供了一种包含根据第一方面的电解质组合物的挤出的电池部件，和一种形成电池部件的方法，该方法包括加工步骤，该加工步骤需要将根据第一方面的组合物加热到超过约55℃的温度。适当地，加工步骤可能需要将组合物加热至超过约60℃、70℃或80℃的温度。在一些情况下，需要加热的加工步骤可以包括挤出。

本发明的其他特征和优点将从以下参考附图仅作为示例给出的本发明的优选实施方案的描述中变得显而易见。

附图说明

图1显示了在30℃下，在高Ni阴极和天然石墨阳极的情况下的作为C倍率的函数的放电容量。实线是实施例15的数据，并且虚线是对比例。使用相同批次的电极和单元电池形式，即唯一的区别是电解质。可以看出，实施例15组合物的倍率性能超过了对比例数据。

图2显示了在30℃下，在高Ni阴极和天然石墨阳极的情况下的作为C倍率的函数的放电容量。数据编码如下：

正方形–实施例2

圆圈–实施例5

三角形–实施例C

菱形–实施例16

使用相同批次的电极和单元电池形式，即唯一的区别是电解质。可以看出，实施例5组合物的倍率性能与直到2C的对比例数据相似，并且实施例16组合物的倍率性能超过对比例数据。

具体实施方式

在一些情况下，组合物中的锂浓度在约0.7M和2.0M之间。

在一些情况下，所述组合物由以下组成：(a)5-35重量％的锂盐；(b)2-10重量％的添加剂；和(c)55-93重量％的溶剂。

在一些情况下，所述锂盐由以下组成：

(ai)选自2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、二氟(草酸)硼酸锂、双(草酸)硼酸锂和四氟硼酸锂的盐；

(aii)和任选的选自双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂和/或双(氟代磺酰基)酰亚胺锂的共盐；

其中所述盐与共盐的摩尔比在100∶0和5∶95之间。

在一些情况下，所述添加剂包含或由30-90摩尔％碳酸氟代亚乙酯和10-70摩尔％碳酸亚乙烯酯组成。

在一些情况下，溶剂由以下任一组成：(ci)70-90摩尔％碳酸亚乙酯和10-30摩尔％碳酸亚丙酯，或(cii)10-100摩尔％γ-丁内酯和任选的0-90摩尔％碳酸亚乙酯。

在一些情况下，电解质组合物包含15-35重量％的锂盐、2-10重量％的添加剂和55-83重量％的溶剂；

并且其中

(a)所述锂盐包含5-100摩尔％的2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂或双(草酸)硼酸锂或其混合物，和0-95摩尔％的双(氟代磺酰基)酰亚胺锂；

(b)所述添加剂包含30-90摩尔％碳酸氟代亚乙酯和10-70摩尔％碳酸亚乙烯酯；并且

(c)所述溶剂包含0-90摩尔％碳酸亚乙酯和10-100摩尔％γ-丁内酯。

在一些情况下，所述组合物由15-35重量％的锂盐、2-10重量％的添加剂和55-83重量％的溶剂组成。

在一些情况下，所述锂盐由5-100摩尔％的2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂或双(草酸)硼酸锂或其混合物，和0-95摩尔％的双(氟代磺酰基)酰亚胺锂组成。

在一些情况下，所述添加剂由30-90摩尔％碳酸氟代亚乙酯和10-70摩尔％碳酸亚乙烯酯组成。

在一些情况下，所述溶剂由0-90摩尔％碳酸亚乙酯和10-100摩尔％γ-丁内酯组成。

在一些情况下，电解质组合物选自：

a)6.4重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、1.6重量％双(草酸)硼酸锂、15.6重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、7重量％碳酸亚乙酯、63.3重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

b)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、18.4重量％碳酸亚乙酯、55.1重量％γ-丁内酯、2.1重量％碳酸亚乙烯酯和1重量％碳酸氟代亚乙酯；

c)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、17.6重量％碳酸亚乙酯、52.8重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

d)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、11.7重量％碳酸亚乙酯、58.7重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

e)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、28.1重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、15.8重量％碳酸亚乙酯、47.4重量％γ-丁内酯、3.7重量％碳酸亚乙烯酯和1.8重量％碳酸氟代亚乙酯；

f)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、12.5重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、19.4重量％碳酸亚乙酯、58.2重量％γ-丁内酯、4.5重量％碳酸亚乙烯酯和2.2重量％碳酸氟代亚乙酯；

g)0.8重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、14.8重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、19.4重量％碳酸亚乙酯、58.2重量％γ-丁内酯、4.5重量％碳酸亚乙烯酯和2.3重量％碳酸氟代亚乙酯；

h)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、15.6重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、18.7重量％碳酸亚乙酯、56.0重量％γ-丁内酯、4.3重量％碳酸亚乙烯酯和2.2重量％碳酸氟代亚乙酯；

i)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、16.9重量％碳酸亚乙酯、50.6重量％γ-丁内酯、6.1重量％碳酸亚乙烯酯和3.1重量％碳酸氟代亚乙酯；

j)1.6重量％双(草酸)硼酸锂、14.0重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、19.4重量％碳酸亚乙酯、58.2重量％γ-丁内酯、4.5重量％碳酸亚乙烯酯和2.2重量％碳酸氟代亚乙酯；

k)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、70.4重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

l)0.8重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、22.6重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、17.6重量％碳酸亚乙酯、52.8重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

m)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、15.6重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、18.7重量％碳酸亚乙酯、56.0重量％γ-丁内酯、4.3重量％碳酸亚乙烯酯和2.2重量％碳酸氟代亚乙酯；

n)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、12.5重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、7.8重量％碳酸亚乙酯、69.8重量％γ-丁内酯、4.5重量％碳酸亚乙烯酯和2.2重量％碳酸氟代亚乙酯；

o)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、7重量％碳酸亚乙酯、63.4％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯；

p)3.2重量％2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂、28.1重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、6.3重量％碳酸亚乙酯、56.9重量％γ-丁内酯、3.7重量％碳酸亚乙烯酯和1.8重量％碳酸氟代亚乙酯；和

q)3.2重量％双(草酸)硼酸锂、20.3重量％双(氟代磺酰基)酰亚胺锂、11.7重量％碳酸亚乙酯、58.7重量％γ-丁内酯、4.1重量％碳酸亚乙烯酯和2重量％碳酸氟代亚乙酯。

在一些这样的情况下，电解质组合物是组合物a或b。

本申请中使用的对比数据涉及本领域已知的以下电解质组合物：

-在溶剂中的1摩尔LiPF

-将添加剂组分添加到该溶液中；这包含碳酸亚乙烯酯(2重量％)和碳酸氟代亚乙酯(0.5重量％，基于包含盐+溶剂+添加剂的溶液的总重量的重量％)。

在下面的表1中描述了几种电解质组合物。如下所述，已经在单元电池中对这些进行了测试，以测定不同放电倍率下的第一循环效率和倍率容量，如图所示。

表1

表1中使用了以下符号：

LiBF4：四氟硼酸锂

LiTFSI：双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂

LiFSI：双(氟代磺酰基)酰亚胺锂

LiTDI：2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑锂

LiPF6：六氟磷酸锂

EC：碳酸亚乙酯

PC：碳酸亚丙酯

GBL：γ-丁内酯

VC：碳酸亚乙烯酯

FEC：碳酸氟代亚乙酯

用Swagelok单元电池或袋型单元电池进行电解质的电化学评估。所有单元电池具有一层面积涂层重量超过150g/m

在露点低于-40℃的干燥室中进行单元电池组装。通过设计，Swagelok单元电池或袋型单元电池的标称容量分别为约3.5mAh或40.0mAh。容量平衡被控制在阳极的约85-90％利用率下。对于所有单元电池，均使用玻璃纤维隔膜，并且对Swagelok单元电池或袋型单元电池分别添加70μl或1ml电解质。

所有单元电池均在30℃下电化学化成(formed，形成)。单元电池最初以C/20的电流(单元电池完全充电或放电需要20小时的电流)充电第一个小时，然后在剩余的充电中增加到C/10，直到单元电池电压达到4.2V的截止电压。然后，单元电池在C/10下放电，直到达到2.5V的截止电压。对于充电和放电，使单元电池在C/10下以相同截止电压再循环两次。第一循环效率通过第一循环充电容量除以第一循环放电容量确定，并以百分比表示。一旦单元电池通过该化成(formation，形成)步骤，就依次在30℃和45℃下测试倍率容量。基于阴极标称容量(活性材料重量乘以其理论容量)计算C倍率。在倍率容量测试中，在C/5的电流下进行所有充电，而在C/10至10C下进行放电。因此测定了倍率容量，其可以通过除以同一测试的C/10容量来进一步归一化。

除了表1中呈现的数据外，发现包含电解质组合物C、2、5和16的单元电池在0.2C下的倍率测试后的容量保持率为100％或约100％。

以上实施方案应理解为本发明的说明性实(施)例。设想了本发明的进一步的实施方案。应理解，关于任何一个实施方案所描述的任何特征可单独使用或与所描述的其它特征组合，并且还可与任何其他实施方案中的一个或多个特征或任何其它实施方案的任何组合来组合使用。此外，在不脱离在所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，也可采用上面未描述的等价物和变形。