锂储能装置制造方法
【专利摘要】本发明主要涉及锂基储能装置。本发明提供了一种锂储能装置，包括：至少一个正极；至少一个负极；以及包括阴离子、阳离子反离子及锂迁移离子的离子性液体电解质，其中，该阴离子包括具有至少一个腈基的氮、硼、磷、砷或碳阴离子基团，该腈基与阴离子基团内的氮、硼、磷、砷或碳原子配位。
【专利说明】锂储能装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及基于锂的储能装置。
【背景技术】
[0002]用于储能装置的电解质，例如用于锂离子和锂金属电池组(battery)的电解质正持续发展。
[0003]基于电化学的储能装置通常包含电解质，在该电解质内电荷载体(离子，也称作目标离子，或其他电荷携带个体)能够迁移以使给定装置能够运行。很多种不同类型的电解质可用于电化学装置。在锂离子和锂金属电池组的情况下，这些电解质包括凝胶电解质、聚电解质、凝胶聚电解质、离子性液体、塑晶和其他非水性液体，例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和
碳酸二乙酯。
[0004]理想地，这些装置中所用的电解质需要是电化学稳定的，具有高离子传导率，具有高目标离子迁移数(即，与其他电荷载体相比，目标离子的迁移率高)，并提供允许电荷转移的稳定的电解质-电极界面。理想地，该电解质也应当是热稳定的和不易燃的。
[0005]锂电池组可以是一次的或更典型的二次的(可再充电的)电池组。由于其较高的重量和体积容量以及较高的比能，锂可再充电锂电池组提供了优于其他二次电池组技术的优点。
[0006]上述两种类型的锂电池组的区别在于:对于“锂金属电池组”，负极是锂金属，对于“锂离子电池组”，负极是嵌锂材料(lithium intercalation material)。
[0007]在比能和功率方面，锂金属是优选的负极材料。然而，当联用“传统”溶剂与锂金属负极相结合时，该锂金属电极易产生枝状表面。该枝状沉积物限制了循环寿命并由于其能使电池短路而呈现出安全风险一潜在导致着火和爆炸。这些缺点使得必须使用嵌锂材料作为负极(产生公知的锂离子技术)，但代价是额外的电池组质量和体积。
[0008]在锂金属二次电池中，在该锂电极表面上形成固体电解质中间相(solidelectrolyte interphase, SEI)。该SEI是由于锂金属的反应活性而快速形成的钝化层。该SEI具有双重作用。首先，其形成钝化膜以保护该锂表面不会进一步与电解质和/或污染物反应。此外，该SEI用作锂导体，在锂金属二次电池的充电/放电循环过程中其允许电荷以锂离子形式来往该锂表面。该SEI还已知形成在锂离子电池的负极表面上。然而如果存在的话，该SEI可以是一些电池系统中的电阻成分，且能导致电池组电压(以及由的此电池功率)降低。
[0009]研究者不断寻找对该锂金属电极循环特征不佳的解决方案一特别是通过使用聚合物电解质。然而，锂离子在聚合物电解质中的运动由该聚合物链的区段运动介导，从而导致传导率较低。该聚合物电解质的低传导率和低迁移率限制了其在实际装置中的应用。
[0010]目标离子的这种传导率低和迁移数低的问题同样适用于锂金属电池组、锂离子电池组、更通常的电池组以及在一定程度上所有其他电化学装置中所用的其他电解质。
[0011]因此，需要发现用于锂储能装置的新的电解质以提高性能。
【发明内容】
[0012]本发明提供一种锂储能装置，包括:
[0013]至少一个正极；
[0014]至少一个负极；以及
[0015]包括阴离子、阳离子反离子、及锂迁移离子的离子性液体电解质，
[0016]其中，该阴离子包括具有至少一个腈基的氮、硼、磷、砷或碳阴离子基团，该腈基与阴离子基团内的氮、硼、磷、砷或碳原子配位。
[0017]该阴离子可以是式I至IV所示的阴离子:
[0018]
【权利要求】
1.一种锂储能装置，包括: 至少一个正极； 至少一个负极；以及 包括阴离子、阳离子反离子及锂迁移离子的离子性液体电解质， 其中，该阴离子包括具有至少一个腈基的氮、硼、磷、砷或碳阴离子基团，该腈基与该阴离子基团内的氮、硼、磷、砷或碳原子配位。
2.如权利要求1所述的锂储能装置，其特征在于，所述阴离子选自通式I至IV中的至少一个:
3.如权利要求2所述的锂储能装置，其特征在于，所述有机基团独立地选自以下构成的组:_CN、-F、-Cl、- (COO) 2_、CmY2m+1S02-、CmY2m+1S03-、CmY2m+1C6Y4S02-、CmY2m+1C6Y4S03-、R7-SO2-,R7-SO3-, CJ2ffl+1C (0) 0-、CJ2ffl+10 (0) c-、CmY2m+1CY20、CY3O-, CmY2m+10CY2-、-c2_6 烯基；其中 Y 是 F或H，m是I至6的整数，R7是卤素。
4.如权利要求2所述的锂储能装置，其特征在于，R2至R6中至少一个为-CN。
5.如权利要求1所述的锂储能装置，其特征在于，所述阴离子选自以下构成的组:_P(CN) 6、^As (CN)6, ? (CN)2, X (CN) 3 及飞(CN)40
6.如权利要求5所述的锂储能装置，其特征在于，所述阴离子为-N(CN)215
7.如权利要求1-6任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述离子性液体电解质实质上没有卤素离子。
8.如权利要求7所述的锂储能装置，其特征在于，所述离子性液体电解质实质上没有氟离子。
9.如权利要求1-8任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂迁移离子由一种或多种选自下组的锂盐来提供:LiDCA、LiBF4, LiBOB, LiTFS1、LiFS1、及LiPF6。
10.如权利要求9所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂盐的用量为0.3~1.0mol/kg、0.4 ~0.6mol/kg、或约 0.5mol/kg。
11.如权利要求1-10任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述阳离子反离子选自以下构成的组:批略烧鐵、喊嚷鐵、喊唳鐵、二或二取代的咪唑及其憐和神的衍生物。
12.如权利要求11所述的锂储能装置，其特征在于，所述阳离子反离子为1，1-二烷基批略烧鐵。
13.如权利要求12所述的锂储能装置，其特征在于，所述阳离子反离子为N-丁基-N-甲基-批略烧鐵。
14.如权利要求1-13任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述至少一个正极包括选自下组的锂氧化物材料:LiCo02、LiMnO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiMnCrO2, LiMnNi04、及其类似物、导电性聚合物、氧化还原导电性聚合物、及其组合。
15.如权利要求1-14任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述至少一个正极包括锂金属磷酸盐。
16.如权利要求15所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂金属磷酸盐为LiFePO415
17.如权利要求1-16任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述至少一个负极包括锂钛氧化物材料。
18.如权利要求17所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂钛氧化物材料为Li4Ti5O1215
19.如权利要求1-18任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述离子性液体电解质包括一种或多种选自下组的额外成分:室温离子性液体、稀释剂、固体电解质中间相(SEI)形成性添加剂、胶凝添加剂、和有机溶剂。
20.如权利要求19所述的锂储能装置，其特征在于，所述一种或多种成分是选自下组的SEI形成性添加剂:聚合物，包括导电聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚乙二醇，乙二醇二甲醚，如四乙二醇二甲醚、全氟聚合物；以及盐，如碘化镁、碘化铝、碘化锡、碘化锂、十七氟辛烷磺酸四乙铵盐、二锂酞菁、十七氟辛烷磺酸锂盐、四乙基氟化铵-四氟化氢。
21.如权利要求20所述的锂储能装置，其特征在于，所述SEI形成性添加剂为乙二醇二甲醚，例如四乙二醇二甲醚。
22.如权利要求1-21任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述电解质含有50~500ppm> 100 ~300ppm 或约 200ppm 的水。
23.如权利要求1-22任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂储能装置在O~80°C的温度范围内操作。
24.如权利要求1-23任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述装置为锂金属储能装置，且所述至少一个负极为锂金属负极。
25.如权利要求1-23任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂储能装置为锂离子储能装置，且所述至少一个负极包含锂钛氧化物。
26.如权利要求25所述的锂储能装置，其特征在于，所述锂钛氧化物为Li4Ti5O1215
27.如权利要求24-26任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述离子性液体电解质包括二氰胺阴离子。
28.如权利要求24-27任一项所述的锂储能装置，其特征在于，所述至少一个正极包括磷酸铁锂。
29.如权利要求28所述的锂储能装置，其特征在于，所述磷酸铁锂为LiFeP04。
30.如权利要求1-29任一项所定义的离子性液体电解质在锂储能装置中的应用。
31.如权利要求1-29任一项所述的锂储能装置的充电方法，其特征在于，包括步骤:在低于3.8V的充电电压下对装置进行充电。
【文档编号】H01M6/14GK103688400SQ201280020896
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年4月27日
【发明者】A·S·贝斯特, G·H·莱恩 申请人:联邦科学与工业研究组织, 蒙纳什大学