新型电解液及使用该电解液的锂离子电池制造技术

本发明专利技术涉及锂离子电池，更具体而言，涉及一种新型电解液及含该电解液的锂离子电池，该电池使用包括石墨化炭的阳极和包括含锂的过渡金属氧化物的阴极。本发明专利技术提供一种式１所示的既含有环状碳酸酯结构，又含有线性碳酸酯结构的化合物（４－甲氧甲酰基甲基－１，３－二氧戊环－２－酮或４－乙氧甲酰基甲基－１，３－二氧戊环－２－酮），一种包括式１化合物的含锂电解液，和一种包括该电解液的锂离子电池，该电池使用包括石墨化炭的阳极和包括含锂过渡金属氧化物的阴极。采用新型化合物制得的本发明专利技术的锂离子电池，由于石墨化炭而具有较高的电容量，优异的充放电循环寿命特性和低温性能。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求2000年1月10日提交的韩国专利申请No.2000-000934的优先权。
技术介绍
(b)相关技术的描述自从在各种电化学电池中的锂离子液体蓄电池被Sony Co.首次工业化以来，由于该锂电池具有高能量密度，在便携式电脑及便携式电话等方面的应用不断增加，取代了先前技术中的锂离子蓄电池。该锂离子液体蓄电池含有包括碳质材料作为阳极活性材料的阳极，和包括LiCoO2等金属氧化物作为阴极活性材料的阴极，通过在该阳极和阴极之间插入一多孔性聚烯烃基隔板，然后注入含有LiPF6等锂盐的非水性电解液来制备该蓄电池。当电池充电时，阴极活性材料的锂离子被释放出来，然后插入到阳极的碳层中。当电池放电时，情况是相反的，阳极碳层中的锂离子被释放出来，然后插入到阴极活性材料中。该非水性电解液起到在阳极和阴极之间移动锂离子的调节作用。该电解液在电池的运行电压范围内应该是稳定的，并能以足够快的速度转移离子。作为电解液，U.S.Pat.Nos.5,521,027和5,525,443公开了线性碳酸酯和环状碳酸酯的混合电解液。环状碳酸酯具有较大的极性，因此能充分地离解锂，但由于其粘度较大，具有较低的离子传导率。因此，在这些专利中通过混入具有低极性和低粘度的线性碳酸酯，以降低含有环状碳酸酯的电解液的粘度。上述环状碳酸酯包括诸如碳酸亚乙酯(EC)，碳酸亚丙酯(PC)，碳酸亚乙烯酯(VC)，碳酸亚丁烯酯(BC)等碳酸酯。PC由于其冰点为-49℃，具有良好的低温性能。但是，如果阳极使用大容量的石墨化炭，当电池充电时，在PC和阳极之间就会存在有意外反应的问题。因此，一般使用EC，因为其在电池中的环状碳酸酯之间形成稳定的保护膜，所述电池含有使用石墨化炭的阳极。但是，如果大量使用EC，由于EC具有较高的熔点(37℃)，电解液的低温性能会突然恶化。为解决这个问题，通常使用两组分的电解液，即将具有低熔点和低粘度的线性碳酸酯作为第二组分与EC混合。上述线性碳酸酯包括诸如碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯(DEC)，和碳酸乙基甲基酯(EMC)等碳酸酯。如果使用熔点最低的EMC(-55℃)，则电池显示出优异的低温性能。但是，仅仅将环状碳酸酯和线性碳酸酯混合，不能满足锂离子电池对高容量和低温性能的需要。事实上，已通过向先前技术的电解液中加入另一种电解液或新添加剂，对改善含有EC的电解液的低温性能进行了研究。文献(J.Electrochem.Soc.146(2)，485，1999)公开了一种三组分体系的电解液具有优于二组分体系的优异的低温性能，该三组分体系是EC，碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物。其它文献(J.Fluorine Chem.87(1998)221)公开了向含有EC和DEC的电解液中加入CHF2COOCH3可改善低温性能。类似上面的方法，如果向电解液中加入添加剂，由于其具有较低的冰点和较低的低温粘性，可改善离子传导率，因为可阻止电解液分子彼此之间形成有规的结构。简而言之，如果使用超过三个组分的电解液(该电解液是由合适的有机材料作为第三组分加入到二组分电解液中制得的)，当该电解液具有合适的组成时，可达到冰点降低的结果，并且由于降低了低温粘性，可达到改善低温充电性能的效果。事实上，电解液在电池的运行电压范围内应当是电化学稳定的，应当对石墨化炭具有低的反应性，并且应当不会由于在阳极上形成稳定的保护膜而缩短充放电循环寿命。但是，已知的电解液中还没有一种满足上述条件。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供一种新型化合物，该化合物在电池的运行电压范围内是电化学稳定的，因为该化合物的分子内既有环状碳酸酯结构，又有线性碳酸酯结构。该化合物对高电容量的石墨化炭具有较低的反应性，并且不会由于在阳极上形成稳定的保护膜而缩短充放电循环寿命，因此可用作电解液的组分。另一个目的是提供一种含有上述新型化合物的电解液。本专利技术的另一个目的是提供一种具有大电容量和优异低温性能的锂离子电池，该电池含有包括石墨化炭的阳极，包括含锂过渡金属氧化物的阴极，多孔隔板，和包括锂盐和上述新型化合物的电解液。其中R为甲基或乙基。本专利技术还提供一种锂离子电池，含有包括石墨化炭作为活性材料的阳极，能够可逆地吸收和释放锂离子，包括含锂过渡金属氧化物作为活性材料的阴极，能够可逆地吸收和释放锂离子，多孔隔板，和电解液，其中电解液含有a)一种锂盐；和b)如下的式1所示的化合物，在分子内既含有环状碳酸酯结构，又含有线性碳酸酯结构 其中R为甲基或乙基。本专利技术详细描述如下。本专利技术涉及一种作为锂离子电池的电解液添加剂的式1所示的化合物，所述电池含有包括石墨化炭的阳极，包括含锂过渡金属氧化物的阴极，多孔隔板，和含锂盐的电解液。由于该化合物分子内既含有环状碳酸酯结构，又含有线性碳酸酯结构，当将该化合物用于包括锂盐的锂离子蓄电池时，该电池可具有大容量并能改善低温性能。特别地，该化合物在电池的运行范围内是电化学稳定的，对石墨化炭具有低反应性，并由于阳极的碳质材料与锂离子的插入可能性较低而形成稳定的保护膜，作为该化合物的分子尺寸相对大于EC和PC的分子尺寸。在式1所示的化合物中，分子内既含有环状碳酸酯结构，又含有线性碳酸酯结构，当R为甲基时，该化合物为4-甲氧甲酰基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮；当R为乙基时，该化合物为4-乙氧甲酰基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮。本专利技术的式1所示的化合物可以按照下面的流程来制备通过加入1-烯丙基甘油醚使钠立刻溶解，然后加入碳酸二乙酯，得到4-烯丙氧基甲基-1，3-二氧戊环-2-酮作为第一中间产品，向该第一个中间产品中加入钯-碳和对甲苯磺酸。然后该混合物反应并蒸馏得到4-羟甲基-1，3-二氧戊环-2-酮作为第二中间产品，该第二中间产品与氯甲酸甲酯或氯甲酸乙酯反应，随后用二氯甲烷溶剂萃取，得到式1所示的化合物。 本专利技术的式1所示的化合物可用在仅含有锂盐的锂离子电池的电解液中，或用在环状碳酸酯或线性碳酸酯和锂盐的电解液中。特别地，当该化合物作为第三组分用在含有环状碳酸酯和线性碳酸酯的电解液中时，所述电解液是包括高容量石墨化炭的锂离子电池的电解液，通过除去不可逆的容量，该锂离子电池可获得高容量的石墨化炭，优异的充放电循环寿命及低温性能。含有本专利技术化合物的电解液是一种含有锂盐的非水性溶液。特别地，该锂盐优选选自LiClO4，LiCF3SO3，LiPF6，LiBF4，LiAsF6，和LiN(CF3SO2)2。本专利技术的电解液可以包括酯或碳酸酯化合物，该化合物是选自下列化合物中的至少一种碳酸亚乙酯(EC)，碳酸亚丙酯(PC)，碳酸亚丁烯酯(BC)，碳酸亚乙烯酯(VC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯(DEC)，和碳酸乙基甲基酯(EMC)，γ-丁内酯，环丁砜，乙酸甲酯(MA)，丙酸甲酯(MP)，和甲酸甲酯(MF)。本专利技术提供锂离子电池，该电池含有包括高容量石墨化炭作为活性材料的阳极，能够可逆地吸收和释放锂离子，包括含锂过渡金属氧化物作为活性材料的阴极，能够可逆地吸收和释放锂离子，多孔隔板，以及含有锂盐和上述式1所示的化合物的电解液。为提供该锂离子，优选石墨化炭在碳质材料的X-射线衍射中具有小于0.338nm的晶面间距(d002)，并且用Brunauer-Emmett-Teller(BE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种式１所示的化合物： ［式１］ ＊＊＊ 其中Ｒ为甲基或乙基。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：金亨珍，刘承一，郑栽植，
申请(专利权)人：LG化学株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]