用作锂离子电池电解质的含二羰基侧基的丙烯酸酯聚合物制造技术

本发明专利技术公开用作锂离子电池电解质的含二羰基侧基的丙烯酸酯聚合物。已经合成了新的含二羰基侧基的丙烯酸酯类聚合物。当这些聚合物与电解质盐组合时，这种聚合物电解质在锂电池单元中显示出优异的电化学氧化稳定性。它们的稳定性以及出色的离子传输性能使其特别适合用作高能量密度锂电池单元中的电解质。

【技术实现步骤摘要】
用作锂离子电池电解质的含二羰基侧基的丙烯酸酯聚合物专利技术人：马拉·阿扎伽萨米、哈尼·巴萨姆·埃陶尼、库兰戴维路·斯瓦南丹、斯科特·艾伦·穆林
本专利技术总体涉及用于锂电池的电解质，并且更具体地涉及特别适合在阴极中和在高电压下使用的电解质。
技术介绍
越来越多的锂电池制造商正在使用下一代阴极材料，例如NCA(锂镍钴铝氧化物)、NCM(锂镍钴锰氧化物)和高能NCM(HE-NCM-富含镁的锂镍钴锰氧化物)，以开发其潜在的高重量能量密度(高达300-500Wh/kg)，良好的倍率容量和长期稳定性。用这种氧化性阴极材料制成的单元电池通常在比橄榄石阴极材料(如LFP，磷酸铁锂)的单元电池(例如3.6-3.8V)更高的电压(例如高达4.7V)下工作。在LFP单元电池的较低电压下稳定的电解质可能难以在较高电压下工作，尤其是难以在阴极中工作。氧化形式的降解可能会导致单元电池寿命早期的容量衰减。因此，需要开发特别适合在下一代阴极材料的高电压条件下工作的电解质。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施例中，公开了一种聚合物。该聚合物是丙烯酸酯类二羰基聚合物结构，描述如下：其中，每个R1独立地选自由氢、甲基、乙基、丙基、异丙基和三氟甲基组成的组；且a、b、c和n均为整数；a的范围为1～100；b的范围为0～10；c的范围为2～10；n的范围为1～1000。在本专利技术的一些实施例中，本文所述的聚合物中的任何一种与电解质盐组合并且可以用作聚合物电解质。在本专利技术的一些实施例中，本文描述的聚合物电解质中的任何一种还包括陶瓷电解质颗粒。在一些布置中，本文所述的聚合物都是交联的。在一些布置中，本文描述的任何聚合物都是交联的，并与电解质盐组合以用作聚合物电解质。在本专利技术的一个实施例中，正极包括正极活性材料；以及阴极电解质，包括本文所述电解质中的任何一种。正极活性材料颗粒和阴极电解质混合在一起。阴极电解质还可包括固体聚合物电解质。阴极电解质还可包含陶瓷电解质颗粒。阴极电解质可以是交联的。阴极电解质可包含为锂盐的电解质盐。正极活性材料可以是磷酸铁锂、锂金属磷酸盐、五氧化二钒、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、富镁的锂镍钴锰氧化物、锂锰尖晶石、锂镍锰尖晶石中的任一种，及其组合。在本专利技术的另一实施例中，电化学单元电池包括：阳极，被配置用于吸收和释放锂离子；阴极，包含阴极活性材料颗粒、电子传导性添加剂和第一阴极电解质；与所述阴极的外表面相邻的集流体；以及位于所述阳极和所述阴极之间的分隔物区域，所述分隔物区域包括分隔物电解质，所述分隔物电解质被配置用于促进锂离子在所述阳极和所述阴极之间来回移动。所述第一阴极电解质可以包括本文公开的电解质中的任何一种。所述第一阴极电解质还可包括陶瓷电解质颗粒。所述第一阴极电解质可以是交联的。电解质盐可以是锂盐。第一阴极电解质和/或分隔物电解质还可包含固体聚合物电解质。在一种布置中，第一阴极电解质和分隔物电解质相同。在一种布置中，在阴极和分隔物区域之间存在覆盖层。覆盖层包括第二阴极电解质，其可以是本文公开的电解质中的任何一种。第一阴极电解质和第二阴极电解质可以相同或可以不同。阳极可包含锂金属、锂合金、钛酸锂、石墨和硅中的任何一种。附图说明当结合附图阅读时，由以下对说明性实施例的描述，本领域技术人员将容易理解前述方面和其他方面。图1是示出根据本专利技术一些实施例的一些二羰基类小分子的循环伏安数据的图。图2是根据本专利技术的实施例的锂电池单元的一种配置的示意图，该锂电池单元包含在阴极和分隔物中都使用的电解质。图3是根据本专利技术的实施例的锂电池单元的另一种配置的示意图，该锂电池单元包含阴极电解质和不同于该阴极电解质的分隔物电解质。图4是根据本专利技术实施例的包含阴极电解质和阴极覆盖层的锂电池单元的另一种配置的示意图。具体实施方式在丙烯酸酯类二羰基聚合物的情况下说明本专利技术的实施例，所述丙烯酸酯类二羰基聚合物可用作锂电池单元等中的电解质或电解质添加剂。然而，本领域技术人员将容易理解，本文公开的材料和方法将在需要高电压电解质，特别是长期稳定性很重要的许多其他情况下具有应用。通过以下结合附图的描述，本专利技术的这些和其他目的和优点将变得更加明显。本文所提及的所有出版物通过引用整体并入本文以用于所有目的，如同本文中已充分阐述。在本公开中，术语“负极”和“阳极”均用于描述负极。同样地，术语“正极”和“阴极”均用于描述正极。应当理解，如本文对于负极所使用的，术语“锂金属”或“锂箔”旨在包括本领域已知的纯的锂金属和富锂的金属合金。适合用作阳极的富锂金属合金的示例包括Li-Al、Li-Si、Li-Sn、Li-Hg、Li-Zn、Li-Pb、Li-C或适用于锂金属电池的任何其他锂金属合金。可以在本专利技术的实施例中使用的其他负极材料包括锂可以嵌入其中的材料，例如石墨，以及可以吸收和释放锂离子的其他材料，例如硅、锗、锡及其合金。本文描述的许多实施例针对具有固体聚合物电解质的电池，其起到电解质和分隔物两者的功能。如本领域所公知的，具有液体电解质的电池使用与液体电解质不同的非活性分隔物材料。在整个本公开中使用以下句式：“每个变量独立地选自”提供的列表中。可以参考其中有许多X的本专利技术的某些聚合物结构中的X基团发现这种用法的示例。例如，“每个X可以独立地选自氢、氟、甲基、乙基、异丙基和三氟甲基。”这种结构用来表示对于结构中的特定X，可以使用列表中的任何基团。在选择要用于该结构中另一个X的基团时，可以使用列表中的任何基团，而无需考虑对其他X基团所做的选择。因此，以下布置都是可能的：所有X可以相同，所有X可以不同，或者某些X可以相同，而某些X可以不同。本文给出的分子量是数均分子量。术语“固体聚合物电解质”在本文中用于表示在电池单元工作温度下为固体的聚合物电解质。有用的电池单元工作温度的示例包括室温(25℃)、40℃和80℃。在本公开中，对许多变量给出了值的范围。应该理解，各个变量的可能值也包括在给定范围内的任何范围。基于在分子动力学(MD)模拟中重复观察到Li+与其他原子的相互作用，看起来Li+与聚合物电解质中的部分带负电荷的原子配位。例如，在聚环氧乙烷(PEO)中，Li+与PEO中的部分带负电荷的氧原子配位。类似地，在含侧链二羰基的聚丙烯酸酯中，Li+与羰基的部分带负电荷的氧配位。本文公开了可用作聚合物电解质的侧基官能化的丙烯酸酯聚合物，所述聚合物电解质可以在高电压(>4.2V)下起作用。聚合物与其小分子对立面相比，由于其较高的机械特性、柔韧性和安全性，因此对于锂离子电池单元而言，引起了极大的关注。然而，大多数用作锂离子电池应用的电解质的聚合物体系仅在主链上或作为侧基仅包含单官能部分。本文公开的聚合物包括在丙烯酸酯主链上作为侧基的高电压稳定的双官能部分(即，二羰基体系，例如丙二酸酯和草酸酯官能团)。与单官能体系相比，这种双官能体系具有增强的锂离子结合能力，并因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物，包括：/n丙烯酸酯类二羰基聚合物结构，描述如下：/n

【技术特征摘要】
20190215 US 16/277,9871.一种聚合物，包括：
丙烯酸酯类二羰基聚合物结构，描述如下：



其中，每个R1独立地选自由氢、甲基、乙基、丙基、异丙基和三氟甲基组成的组；且
a、b、c和n均为整数；a的范围为1～100，b的范围为0～10，c的范围为2～10，且n的范围为1～1000。


2.根据权利要求1所述的聚合物，还包含电解质盐，其中，所述聚合物是电解质。


3.根据权利要求2所述的聚合物，还包含陶瓷电解质颗粒。


4.根据权利要求1所述的聚合物，其中，所述聚合物是交联的。


5.根据权利要求4所述的聚合物，还包含电解质盐，其中，所述聚合物是电解质。


6.一种正极，包括：
正极活性材料；和
阴极电解质，包括根据权利要求2所述的电解质；
其中，所述正极活性材料颗粒和所述阴极电解质混合在一起。


7.根据权利要求6所述的正极，其中，所述阴极电解质还包含固体聚合物电解质。


8.根据权利要求6所述的正极，其中，所述阴极电解质还包含陶瓷电解质颗粒。


9.根据权利要求6所述的正极，其中，所述阴极电解质是交联的。


10.根据权利要求6所述的正极，其中，所述正极活性材料选自由磷酸铁锂、锂金属磷酸盐、五氧化二钒、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴锰氧化物、富镁的锂镍钴锰氧化物、锂锰尖晶石、锂镍锰尖晶石及它们的组合组成的组。


11.根据权利要求6所述的正极，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马拉·阿扎伽萨米，哈尼·巴萨姆·埃陶尼，库兰戴维路·斯瓦南丹，斯科特·艾伦·穆林，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE