電解質(zhì)和電極結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)要求2014年12月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)系列號(hào)62/090, 200的權(quán)益， 其經(jīng)此引用W其全文并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及裡基電池。更具體地，本發(fā)明設(shè)及裡基電池的電解質(zhì)和電極結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003] 二次或可再充電的裡電池通常用于許多固定和便攜設(shè)備，如在消費(fèi)型電子產(chǎn)品、 汽車和航空航天工業(yè)中遇到的那些。出于多種原因，包括相對(duì)高的能量密度、與其它類型的 可再充電電池相比時(shí)通常不會(huì)出現(xiàn)任何記憶效應(yīng)、相對(duì)低的內(nèi)電阻W及不使用時(shí)的低自放 電率，裡類電池已經(jīng)得W普及。裡電池在其整個(gè)有效壽命中進(jìn)行反復(fù)功率循環(huán)的能力使其 成為有吸引力和可靠的電源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 示例性電解質(zhì)包含溶劑、裡鹽和可溶于溶劑的膜前體。該可溶于溶劑的膜前體選自 (Xiz巧i-(P2S5)m_(YX2)n，其中l(wèi)、m和n各自> 0,但l、m或n的至少兩個(gè)〉0，Y是至少一 種選自Ge、Si和Sn的元素，并且X是至少一種選自S、Se和Te的元素。
[0005] 因此，本發(fā)明公開了 W下技術(shù)方案： 方案1.電解質(zhì)，其包含： 溶劑； 裡鹽訊 可溶于溶劑的膜前體，其選自（Liz巧1-任2苗)。-燈X2)。，其中l(wèi)、m和n各自> 0,但l、m 或n的至少兩個(gè)〉0, Y是至少一種選自Ge、Si和Sn的元素，并且X是至少一種選自S、Se 和Te的元素。
[0006] 方案2.如方案1中所限定的電解質(zhì)，其中： 當(dāng)Y = Ge時(shí)，GeXz由此為Zintl團(tuán)簇，X選自S、Se和Te。
[0007] 方案3.如方案1中所限定的電解質(zhì)，其進(jìn)一步包含選自有機(jī)硫、有機(jī)橫酸鹽、有 機(jī)橫內(nèi)醋及其組合的有機(jī)含硫添加劑。
[000引方案4.如方案1中所限定的電解質(zhì)，其中： 所述溶劑選自1，3-二氧戊環(huán)、二甲氧基乙燒、四氨巧喃、2-甲基四氨巧喃、1，2-二乙氧 基乙燒、乙氧基甲氧基乙燒、四乙二醇二甲酸（TEGDME)、聚乙二醇二甲酸（PEGDME)及其混 合物訊 所述裡鹽選自雙氣甲基橫酷）亞胺裡（LiN(CF3S02)2或LiTFSI)、LiN03、LiPFe、 LiBF*、Lil、LiBr、LiSCN、LiCl04、LiAlCl*、LiB(C204)2 (LiBOB)' LiB(CeHs)A' LiBF2(C204) (Li孤FB)、LiN(S02巧2 (LiFSI)、LiPFs(CzFs)S (LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C204) (LiFOP)、 LiPFs (CF3) 3、LiSOsCFs、LiCFsSOs、LiAsFe及其組合。
[0009] 方案5.如方案I中所限定的電解質(zhì)，其中： 所述溶劑選自碳酸亞乙醋、碳酸亞丙醋、碳酸亞下醋、碳酸氣代亞乙醋、碳酸二甲醋、碳 酸二乙醋、碳酸甲乙醋、甲酸甲醋、乙酸甲醋、丙酸甲醋、丫-下內(nèi)醋、丫-戊內(nèi)醋、1,2-二甲 氧基乙燒、1，2-二乙氧基乙燒、乙氧基甲氧基乙燒及其組合；和 所述裡鹽選自雙氣甲基橫酷）亞胺裡（LiN(CF3S〇2)2或LiTFSI)、LiN〇3、LiPFe、 LiBF*、Lil、LiBr、LiSCN、LiCl〇4、LiAlCl*、LiB(C2〇4)2 (LiBOB)' LiB(CeHs)A' LiBF2(C2〇4) (Li孤FB)、LiN(S〇2巧2 (LiFSI)、LiPFs(CzFs)S (LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C2〇4) (LiFOP)、 LiPFs (CF3) 3、LiSOsCFs、LiCFsSOs、LiAsFe及其組合。
[0010] 方案6.電極結(jié)構(gòu)，其包含： 包含活性材料的電極；和 在所述電極的表面上形成的裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層，所述裡傳導(dǎo)性SEI層 由選自化i2S)r化Ss)m-燈X2)。的膜前體形成，其中l(wèi)、m和n各自> 0,但l、m或n的至少 兩個(gè)〉0, Y是至少一種選自Ge、Si和Sn的元素，并且X是至少一種選自S、Se和Te的元 素。
[0011] 方案7.如方案6中所限定的電極結(jié)構(gòu)，其中： 當(dāng)Y = Ge時(shí)，GeXz由此為Zintl團(tuán)簇，X選自S、Se和Te。
[0012] 方案8.如方案6中所限定的電極結(jié)構(gòu)，其中所述裡傳導(dǎo)性SEI層進(jìn)一步包含選自 有機(jī)硫、有機(jī)橫酸鹽、有機(jī)橫內(nèi)醋及其組合的有機(jī)含硫添加劑。
[0013] 方案9.如方案6中所限定的電極結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包含在所述裡傳導(dǎo)性SEI層上形 成的有機(jī)膜，所述有機(jī)膜包含選自有機(jī)硫、有機(jī)橫酸鹽、有機(jī)橫內(nèi)醋及其組合的有機(jī)含硫組 分。
[0014] 方案10.在電極的表面上制造裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層的方法，所述方 法包括： 在電化學(xué)電池中使所述電極暴露于電解質(zhì)，所述電解質(zhì)包含： 溶劑； 裡鹽訊 可溶于溶劑的膜前體，其選自（Liz巧1-任2苗)。-燈X2)。，其中l(wèi)、m和n各自> 0,但l、m 或n的至少兩個(gè)〉0, Y是至少一種選自Ge、Si和Sn的元素，并且X是至少一種選自S、Se 和Te的元素。
[001引方案11.如方案10中所限定的方法，其中： 當(dāng)Y = Ge時(shí)，GeXz由此為Zintl團(tuán)簇，X選自S、Se和Te。
[0016] 方案12.如方案10中所限定的方法，進(jìn)一步包括向所述電化學(xué)電池施加電壓。
[0017] 方案13.如方案10中所限定的方法，進(jìn)一步包括在使所述電極暴露于所述電解 質(zhì)之前預(yù)裡化所述電極。
[001引方案14.如方案10中所限定的方法，其中： 所述電極是負(fù)極； 所述電化學(xué)電池是包括正極的全電池組電池；和 所述方法進(jìn)一步包括使所述正極暴露于所述電解質(zhì)，由此在所述正極的表面上形成第 二裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層。
[0019] 方案15.裡基電池，其包含： 負(fù)極； 正極； 位于所述負(fù)極與所述正極之間的隔膜；和 浸泡各正極、負(fù)極和隔膜的電解質(zhì)溶液，其中所述電解質(zhì)溶液包含： 溶劑； 裡鹽訊 可溶于溶劑的膜前體，其選自（Liz巧i-(P2S5)m-燈X2)。，其中l(wèi)、m和n各自> 0,但l、m 或n的至少兩個(gè)〉0, Y是至少一種選自Ge、Si和Sn的元素，并且X是至少一種選自S、Se 和Te的元素。
[0020] 方案16.如方案15中所限定的裡基電池，其中： 當(dāng)Y = Ge時(shí)，GeXz由此為Zintl團(tuán)簇，X選自S、Se和Te。
[0021] 方案17.如方案15中所限定的裡基電池，其中： 所述負(fù)極包含選自裡、裡合金、娃、娃合金、石墨、錫、錫合金、錬和錬合金的活性材料； 和 所述正極包含硫基活性材料。
[0022] 方案18.如方案17中所限定的裡基電池，其進(jìn)一步包含在所述負(fù)極的表面上形 成的裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層，所述裡傳導(dǎo)性SEI層由所述可溶于溶劑的膜前體 形成。
[0023] 方案19.如方案15中所限定的裡基電池，其中： 所述負(fù)極包含選自裡、裡合金、娃、娃合金、石墨、錫、錫合金、錬和錬合金的活性材料； 和 所述正極包含選自裡基材料和非裡金屬氧化物材料的活性材料。
[0024] 方案20.如方案19中所限定的裡基電池，其進(jìn)一步包含在所述負(fù)極的表面上形 成的第一裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層，所述第一裡傳導(dǎo)性SEI層由所述可溶于溶劑 的膜前體形成，且進(jìn)一步包含在所述正極的表面上形成的第二裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面 (SEI)層，所述第二裡傳導(dǎo)性沈I層由所述可溶于溶劑的膜前體形成。
[00巧]【附圖說(shuō)明】 本公開的實(shí)例的特征通過參照W下【具體實(shí)施方式】和附圖將變得明顯，其中同樣的附圖 標(biāo)記對(duì)應(yīng)于類似(盡管可能并不相同）的組件。為了簡(jiǎn)潔起見，具有先前描述的功能的附圖 標(biāo)記或特征可W結(jié)合或不結(jié)合它們出現(xiàn)在其中的其它附圖進(jìn)行描述。
[0026] 圖1是在負(fù)極的表面上形成的裡傳導(dǎo)性固體電解質(zhì)界面（SEI)層的橫截面示意 圖； 圖2是具有在負(fù)極表面上形成的沈I層的裡硫電池的橫截面示意圖； 圖3是具有在負(fù)極和正極各自的表面上形成的沈I層的裡金屬電池的橫截面示意圖； 圖4是圖解對(duì)比例電池和包含本文中公開的不同電解質(zhì)的兩種不同的實(shí)施例電池的 庫(kù)侖效率的圖； 圖5是圖解對(duì)比例電池和包含本文中公開的不同電解質(zhì)的兩種不同的實(shí)施例電池的 容量保持率(左側(cè)Y軸）和庫(kù)侖效率(右側(cè)Y軸）的圖；和 圖6A-抓在強(qiáng)度I (W任意單位）和結(jié)合能邸Kev為單位）的坐標(biāo)上顯示用該SEI 的X-射線光電子能譜采集的結(jié)果的繪圖，其中圖6A和6C分別對(duì)應(yīng)F Is電子和Li Is電 子，圖她和抓分別對(duì)應(yīng)C Is電子和S Is電子，圖6A-她對(duì)應(yīng)正極，且圖6C-抓對(duì)應(yīng)負(fù)極。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 裡基電池通常通過在負(fù)極(有時(shí)稱為陽(yáng)極）和正極(有時(shí)稱為陰極）之間可逆地傳遞裡 離子來(lái)運(yùn)行。該負(fù)極和正極位于浸有適于傳導(dǎo)裡離子的電解質(zhì)溶液的多孔聚合物隔膜的相 對(duì)兩側(cè)。在充電過程中，裡離子嵌入(例如插層、合金化等等巧Ij負(fù)極中，且在放電過程中，裡 離子從負(fù)極中抽出。各個(gè)電極還與各自的集流體相關(guān)聯(lián)，該集流體通過可斷開的外電路連 接，該外電路允許電流在負(fù)極與正極之間通過。裡基