[发明专利]用于改善低温性质的锂二次电池电解质和包含该电解质的二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于锂二次电池的电解质和包含该电解质的二次电池。更具体而言，本发明是涉及用于锂二次电池的电解质，其凭借电池在低温下充电/放电在阴极-阳极界面形成电荷双层，通过增加锂离子-电极反应性和降低电极界面电阻而能够改善电池的低温性质，并因此能够用于中/大型电池系统中，作为不得不在严苛条件下操作的电动车(EVs)或混合电动车(HEVs)的电源。

背景技术

对于机动设备的技术发展及需求增加导致二次电池作为能源的需求快速增加。特别是，大量的研究及调查也集中于具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池。这些锂二次电池也可市售并广泛使用。

再者，环境关心的增加吸引了大量对电动车(EVs)和混合电动车(HEVs)的深入研究，所述电动车(EVs)和混合电动车(HEVs)能够取代化石燃料驱动车辆，诸如汽油机辆和柴油机车，主要原因之一在于空气污染。虽然镍氢(Ni-H₂)电池被大量用作EVs和HEVs的电源，但是大量研究已经积极进行，以使用具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池，因此有一定的商业化结果。

一般而言，锂离子二次电池使用碳材料作为阳极活性材料和金属氧化物诸如锂钴氧化物或锂锰氧化物作为阴极活性材料，并通过在阳极和阴极之间放置多孔聚烯烃隔膜及添加包含诸如LiPF₆的锂盐的非水电解质来制备。随着电池充电，锂离子离开阴极活性材料并迁移进入该阳极的碳层。相反，随着放电，锂离子离开碳层并迁移进入阴极活性材料。在此，非水电解质作为介质，锂离子通过它在阳极与阴极之间迁移。如此的非水电解质在电池的操作电压范围中必需稳定，并且必需具备以充分高的速率转移离子的能力。

含锂离子的非水电解质可以溶液的形式使用，其中锂盐，诸如LiPF₆，在非水电解质中易溶，溶解在环状碳酸酯溶剂中。当这样的非水电解质仅仅使用能够充分离解锂离子的高度极性的环状碳酸酯时，这可能造成与电解质粘度增加并因而降低离子导电性有关的的问题。

因此，为了降低非水电解质的粘度，使用极性小但粘度低的线性碳酸酯的混合电解质的技术是本领域已知的。这类线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)。在这些材料中，EMC具有最低的凝固点-55℃，当其被使用时发挥出优异的低温和寿命性能。作为环状碳酸酯的范例，可以提及的是可由碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)和碳酸亚丁酯(BC)所制得。尤其是，PC具有低凝固点-49℃，且因此发挥出良好的低温性能。然而，当使用体积大的石墨化碳作为阳极，PC在充电过程中与阳极急剧反应，因此难以使用大量的PC。为此原因，主要使用在阳极形成稳定保护膜的EC。

如同上述所讨论，为了加强电池的低温性能，传统的锂离子二次电池通过使用低沸有机溶剂作为构成非水电解质的有机溶剂，应用其中LiPF₆盐混合于线性或环状碳酸酯中的非水电解质和其混合物。已知具有这样组成的非水电解质在室温和高温下均表现出最稳定的电池性质。

然而，LiPF₆，其通常用作非水电解质中的锂盐，其在低温下经历Li离子和PF₆阴离子解离程度的降低。因此，使用LiPF₆作为锂盐的二次电池会遭遇诸如内部电池电阻急剧增加并因此降低电力输出的缺点。

另一方面，当锂二次电池用于EVs及HEVs时，该电池必须可操作，即便是在诸如冬季的低温条件下也是如此，并因此需要在低温下的优良电力输出性质。

因此，为了防止电池低温性能的恶化，同时保持传统非水电解质在室温及高温下均显现出稳定的电池性质的组成，需要进行倾向于向电解质添加隔离材料的研究及调查。此外，为了改善电池的低温性能，其优选致力于防止电池在低温下电阻增加及防止伴随的电力输出性质的恶化。