[发明专利]用于镁蓄电池的官能化碳硼烷基镁电解质

说明书

本发明提供了用于镁蓄电池的官能化碳硼烷基镁电解质。提供了具有官能化碳硼烷基镁电解质的电化学装置。具体地，本公开内容涉及电化学装置，其包含：镁阳极，阴极，由非贵金属制成的集流体，和官能化碳硼烷基镁电解质。该官能化碳硼烷基电解质包括用至少一种卤化物或一种烷基、芳基、烷氧基、芳氧基基团、或者它们部分或完全氟化的类似物官能化的碳硼烷基阴离子。与电解质接触，非贵金属阴极集流体具有不同寻常的高氧化稳定性(相对于镁参比>3.0V)。另外提供了制备该电化学装置的方法。

背景

本公开内容部分涉及具有官能化碳硼烷基(carboranyl)镁电解质的电化学装置。本公开内容还涉及用于制备这样的电解槽的方法。

由于镁蓄电池的高体积容量、没有枝晶形成以及镁的相对廉价性，它们作为锂蓄电池的潜在替代物受到了显著的关注。然而，已证明用于镁蓄电池的合适电解质的发现和开发是有挑战性的。已典型地发现了常规无机镁盐与可逆的镁沉积不相容，因为它们倾向于在它们的电化学还原期间在镁电极处形成离子阻挡层。另一方面，已发现有机镁盐例如源自于格氏试剂的那些是高度腐蚀性的，特别是对于非贵金属阴极，这可能是由于氯化物共阴离子(co-anion)的存在。

先前的研究显示镁硼簇例如MgB₁₂H₁₂与镁电极的电化学相容性和非腐蚀性以及它们在镁蓄电池中的用途。在与包含闭合式硼酸盐的电解质相比在镁电池中具有相当的电化学相容性和非腐蚀性的同时，碳硼烷基电解质受益于碳硼烷基簇相对于闭合式硼酸盐簇在含醚溶剂中固有的优异溶解度。

为了使电流密度最大化，开发用于镁蓄电池的在合适的溶剂中还具有较高溶解度的电解质盐会是有利的。

发明内容

在各种非限制性实施方案中公开了具有碳硼烷基镁电解质的电化学装置和形成这些电化学装置的方法。

提供了电化学装置，其具有包含镁的阳极；阴极；和电解质。该电解质包含官能化碳硼烷基镁盐，该官能化碳硼烷基镁盐具有如下的式：

式I：Mg(CB_iH_[(i+1)-j-k]X_jR_k)₂,

式II：Mg(C₂B_(i-1)H_(i-j-k)X_jR_k)₂，或前述的至少两种的组合，其中i是处于5至11的包括端点的范围内的整数；j是处于0至i的包括端点的范围内的整数；k是0和i之间的包括端点的整数；各个X独立于各个其它X，为氟、氯、溴或碘；并且各个R独立于各个其它R，为烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、它们部分或完全氟化的类似物、或组合前述官能团的结构部分(moiety)。

在又一个实施方案中，本文提供了用于制备电化学装置的方法。该方法包括：通过外部导电结构来连接包含镁的阳极与阴极的步骤。该方法还包括使阳极和阴极与电解质接触的步骤。该电解质包括官能化碳硼烷基镁盐，该官能化碳硼烷基镁盐具有如下的式：

式I：Mg(CB_iH_[(i+1)-j-k]X_jR_k)₂,

式II：Mg(C₂B_(i-1)H_(i-j-k)X_jR_k)₂，或前述的至少两种的组合，

其中i是处于5至11的包括端点的范围内的整数；j是处于0至i的包括端点的范围内的整数；k是0和i之间的包括端点的整数；各个X独立于各个其它X，为氟、氯、溴或碘；并且各个R独立于各个其它R，为烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、它们部分或完全氟化的类似物、或组合前述官能团的结构部分。