具有基于磺酰胺的电解质的超高电压可充电电池制造技术

一种电化学装置包含过渡金属氧化物阴极，如LiNi

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有基于磺酰胺的电解质的超高电压可充电电池
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请要求于2021年2月18日提交的标题为“LiFSI/DMTMSA电解质抑制4.7伏NMC阴极的应力腐蚀并实现实用的Li电池(LiFSI/DMTMSA Electrolyte Suppresses Stress
‑
Corrosion of 4.7Volt NMC Cathodes and Enables Practical Li Batteries)”的美国临时申请第63/150,816号的优先权，所述美国临时申请通过全文引用的方式并入本文。
[0003]政府支持
[0004]本专利技术是在美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)授予的授权第ECCS1610806号的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。

技术介绍

[0005]对于许多不同的电池应用，包含便携式电子装置、无人机和电动车辆，迫切需要更高能量密度的电池(例如，>400Wh kg
‑1)。然而，高能量密度阴极(例如，高镍阴极，LiNi
x
Mn
y
Co1‑
x
‑
y
O2)在高充电电压(例如，>4.55V)下的电化学循环通常是不稳定的，导致非常短的循环寿命。在这些条件下，高电化学反应性和不稳定电极
‑
电解质界面导致了不稳定性。锂金属阳极(LMA)也可以极大地增加能量密度，但常规上也受低循环稳定性影响。

技术实现思路

[0006]本文公开了一种基于磺酰胺的电解质，所述电解质促进电化学装置(例如，锂离子电池、锂金属电池、固态电池或流动电池)中的稳定循环。具有LiTFSI和/或LiFSI盐的基于磺酰胺的电解质具有优异的抗氧化性，并且与高电压阴极形成有利的固体电解质界面。例如，基于磺酰胺的电解质有助于截止电压至多为4.7
±
0.05V的商用LiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O2在锂金属电池(LMB)中的稳定循环。与商用碳酸酯电解质相比，本文所公开的电解质不仅抑制了副反应、晶间开裂、过渡金属溶解和阴极侧上的阻抗生长，还促进了高度可逆的Li金属剥离和电镀，从而导致紧凑的形态和低粉碎。本专利技术的LMB优选地在100个循环中递送>230mAh g
‑1的比容量和＞99.65％的平均库仑效率(Coulombic efficiency)。即使在苛刻的测试条件下，4.7V LMB也可以在90个循环中保持>88％的容量，这表明在实际LMB中取得了重大进展。
[0007]本专利技术的实施例包含电化学装置(例如，电池)，所述电化学装置包含阴极和电解质。阴极包含至少一种过渡金属氧化物。电解质包含溶剂和基本上溶解在所述溶剂中的双(氟磺酰基)亚胺化锂(LiFSI)。溶剂包含N,N
‑
二甲基三氟甲烷
‑
磺酰胺(DMTMSA)。电解质可以是液体、固体(例如，聚合物凝胶或陶瓷)或液体和固体组分的组合形式。在电化学装置的操作期间，电解质基本上抑制了至少一种过渡金属氧化物的溶解。
[0008]在一个实施例中，DMTMSA和/或LiFSI可以是电解质的主要组分。在此实施例中，DMTMSA和/或LiFSI可以以电解质的约80％至约99％的重量百分比存在于电解质中。在另一个实施例中，DMTMSA和/或LiFSI可以是电解质中的添加剂。在此实施例中，DMTMSA和/或LiFSI可以以电解质的约1％至约20％的重量百分比存在于电解质中。
[0009]电化学装置的阴极中的一种或多种过渡金属氧化物可以包含锂钴氧化物、锂镍锰钴氧化物、锂锰氧化物、锂铁磷酸盐或锂镍钴铝氧化物。过渡金属氧化物的实例包含LiNi
0.88
Mn
x
Co
y
O2、LiNi
0.8
Mn
0.1
Co
0.1
O2、LiNi
0.76
Mn
0.14
Co
0.10
O2、LiNi
0.6
Mn
0.2
Co
0.2
O2、LiNi
0.5
Mn
0.3
Co
0.2
O2、LiNi
0.3
Mn
0.3
Co
0.3
O2、LiNi
0.4
Mn
0.4
Co
0.2
O2、LiNi
0.94
Co
0.06
O2、Li
1.252
Mn
0.557
Ni
0.123
Co
0.126
Al
0.0142 O2、LiCoO2。
[0010]在一个实施例中，LiFSI可以以每千克溶剂约0.2摩尔至约5.0摩尔LiFSI的浓度存在于电解质中。例如，在此实施例中，LiFSI可以以每千克溶剂约1.0摩尔LiFSI的浓度存在于电解质中。在另一个实施例中，LiFSI可以以每千克DMTMSA约0.2摩尔至约5.0摩尔LiFSI的浓度存在于电解质中。例如，在此实施例中，LiFSI可以以每千克DMTMSA约1.0摩尔LiFSI的浓度存在于电解质中。
[0011]电化学装置可以包含阳极，所述阳极包含锂金属、硬碳和/或石墨。液体电解质可以另外包含一种或多种添加剂，包含氟代碳酸乙烯酯(FEC)；1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙醚(TTE)；丙
‑1‑
烯
‑
1,3
‑
磺内酯(PST)；碳酸亚乙烯酯(VC)；碳酸亚乙酯(EC)；双(草酸)硼酸锂(LiBOB)；二氟(草酸)硼酸锂(LiDFOB)；和/或三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯(TMSPi)。
[0012]本技术的另一个实施例包含使用电化学装置的方法，如上文所描述的电化学装置。所述方法包含将电化学装置充电到相对于Li/Li
+
至少4.7V，将电化学装置放电到相对于Li/Li
+
约3.0
±
0.2V，并且在室温下重复这些充电和放电步骤至少100个循环。电化学装置的初始放电比容量为至少约231mAh g
‑1。在100个循环中，电化学装置保持了初始放电比容量的至少约88％的平均放电比容量。电化学装置还在100个循环中维持至少约99.65％的平均库仑效率。电化学装置包含阴极、锂金属阳极和电解质。充电和放电步骤可以以0.5C(1C＝200mAg
‑1)的速率进行。
[0013]上述概念和下文更详细讨论的另外的概念的所有组合(前提是此类概本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学装置，其包括：阴极，所述阴极包括至少一种过渡金属氧化物；以及电解质，所述电解质包括：包括N,N
‑
二甲基三氟甲烷
‑
磺酰胺(DMTMSA)的溶剂；以及基本上溶解在所述溶剂中的双(氟磺酰基)亚胺化锂(LiFSI)。2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述DMTMSA和所述LiFSI以所述电解质的约80％至约99％的重量百分比存在于所述电解质中。3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述DMTMSA和所述LiFSI以所述电解质的约1％至约20％的重量百分比存在于所述电解质中。4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述至少一种过渡金属氧化物包括LiNi
x
Mn
y
Co
z
O2，并且x+y+z＝1。5.根据权利要求4所述的电化学装置，其中x为约0.8，y为约0.1，并且z为约0.1。6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述LiFSI以每千克所述溶剂约0.2至约5.0摩尔LiFSI的浓度存在于所述电解质中。7.根据权利要求6所述的电化学装置，其中所述LiFSI以每千克所述溶剂约1.0摩尔LiFSI的浓度存在于所述电解质中。8.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学装置另外包括锂金属阳极。9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学装置另外包括硬碳阳极。10.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学装置另外包括石墨阳极。11.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电解质另外包括以下中的至少一种：氟代碳酸乙烯酯(FEC)；1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙醚(TTE)；丙
‑1‑
烯
‑
1,3
‑
磺内酯(PST)；碳酸亚乙烯酯(VC)；碳酸亚乙酯(EC)；双(草酸)硼酸锂(LiBOB)；二氟(草酸)硼酸锂(LiDFOB)；或三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯(TMSPi)。12.一种使用电池的方法，所述方法包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：