[发明专利]具有高电压电解质和添加剂的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池，其包括能够在高电压下操作的阴极活性材料与适用于较长期循环的相应适当电解质。本发明进一步涉及具有包含进一步稳定电池循环的添加剂的电解质的高电压电池。

背景技术

锂电池因其相对高能量密度而广泛用于消费性电子装置中。可再充电电池还称作二次电池，且锂离子二次电池通常具有嵌入锂的负电极材料。对于一些现有市售电池来说，负电极材料可为石墨，且正电极材料可包含锂钴氧化物(LiCoO₂)。实际上，对于某些材料来说，仅约50%的阴极理论容量可用，例如约140mAh/g。目前在商业应用中还存在至少两种基于锂的其它阴极材料。所述两种材料为具有尖晶石结构的LiMn₂O₄和具有橄榄石结构的LiFePO₄。所述其它材料在能量密度方面并未提供任何显著改良。

锂离子电池根据其应用通常分为两类。第一类涉及高功率电池，其中将锂离子电池单元设计为可在例如电动工具和混合电动车(HEV)等应用中递送高电流(安培)。然而，由于提供高电流的设计通常会降低可从电池递送的总能量，因此如此设计使所述电池单元能量降低。第二类设计涉及高能量电池，其中将锂离子电池单元设计为可在例如蜂窝式电话、膝上型计算机、电动车(EV)和插电式混合电动车(PHEV)等应用中递送低到中等电流(安培)且递送较高总容量。一般来说，期望电池具有较长循环寿命以便电池在更换之前可进行多次再充电。

发明内容

在第一方面中，本发明涉及高电压锂二次电池，其包含正电极、负电极和介于所述负电极与所述正电极间的隔离件。正电极包含嵌锂化合物，且负电极包含嵌锂/合金化化合物。一般来说，电池具有至少约4.45V的额定充电电压。电解质包含LiPF₆和/或LiBF₄、包含碳酸亚乙酯和液体有机溶剂的溶剂和电解质稳定添加剂，且正电极嵌锂组合物包含近似由式Li_1+aNi_αMn_βCo_γA_δO_2-zF_z代表的组合物，其中a在约0.05到约0.3范围内，α在约0.1到约0.4范围内，β在约0.3到约0.65范围内，γ在0到约0.4范围内，δ在约0到约0.15范围内，且z在0到0.2范围内，且其中A为Mg、Sr、Ba、Cd、Zn、Al、Ga、B、Zr、Ti、Ca、Ce、Y、Nb、Cr、Fe、V、Li或其组合。在一些实施例中，电解质稳定添加剂包含浓度为约0.0005重量%到约6重量%的锂盐添加剂、浓度为约0.0005重量%到约15.0重量%的非离子有机添加剂或其组合。

在又一方面中，本发明涉及高电压锂二次电池，其包含正电极、负电极、电解质和介于所述负电极与所述正电极间的隔离件，其中所述负电极包含嵌锂/合金化化合物且所述正电极包含嵌锂化合物。电解质可包含主要锂电解质盐、包含碳酸亚乙酯和选自由碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、γ-戊內酯或其组合组成的群组的液体有机溶剂的溶剂和浓度为约0.01重量%到约1.5重量%的锂盐电解质稳定添加剂。

在另一方面中，本发明涉及制造额定在高于4.45伏特电压下操作的锂二次电池的方法，其中所述方法包含向包含正电极、负电极和介于所述负电极与所述正电极间的隔离件的电极组件添加尤其合意的电解质。所述正电极包含嵌锂化合物且所述负电极包含嵌锂/合金化化合物。在一些实施例中，电解质包含LiPF₆和/或LiBF₄、碳酸亚乙酯、选自由碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、γ-戊內酯或其组合组成的群组的室温液体溶剂和浓度为约0.01重量%到约1.5重量%的锂盐电解质稳定添加剂。

附图说明

图1为用于形成电池的电极堆叠的示意性透视图。

图2为电解质组合物A的循环伏安测量曲线。

图3为具有不同于第一电解质的溶剂的电解质组合物B的循环伏安测量曲线。

图4为具有1.2M LiPF₆盐浓度的电解质的完整正向和反向循环伏安测量曲线。

图5为图4中所示测量的反向扫描曲线。

图6为具有6种在0V到4.0V电压窗内所取不同盐浓度的电解质的反向循环伏安扫描曲线。

图7为具有6种在0V到4.6V电压窗内所取不同盐浓度的电解质的反向循环伏安扫描曲线。