电解质和负极结构的制作方法
【专利说明】电解质和负极结构
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月10日提交的美国临时专利申请系列号62/090，181的权益，其经此引用以其全文并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及电解质和负极结构。具体而言，本发明涉及锂基电池的电解质、用于在电极表面上制造固体电解质界面(SEI)层的方法和由所述方法形成的负极结构。
【背景技术】
[0003]二次或可再充电的锂离子电池或锂硫电池通常用于许多固定和便携设备，例如在消费电子产品、汽车和航空航天工业中遇到的那些。由于多种原因，包括相对高的能量密度、与其它类型的可再充电电池相比时通常不出现任何记忆效应、相对低的内电阻以及不使用时的低自放电率，锂类电池已经得以普及。锂电池在其整个有效寿命中进行反复的功率循环的能力使其成为有吸引力和可靠的电源。
【发明内容】
[0004]
示例性电解质包含溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂选自巯基硅烷、巯基硅氧烷、及其组合。该电解质可以用于在电极表面上制造固体电解质界面(SEI)层的方法中。由所述方法可以形成负极结构。
[0005]因此，本发明公开了以下技术方案:
方案1.电解质，其包含:
溶剂；
锂盐;和
添加剂，其选自疏基娃烧、疏基娃氧烧、及其组合。
[0006]方案2.如方案I所限定的电解质，其中所述巯基硅烷选自(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷、(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)甲基二甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基娃烧、(11_疏基十一烧氧基)二甲基娃烧、及其组合。
[0007]方案3.如方案I所限定的电解质，其中所述疏基娃氧烧选自[4%至6%(疏基丙基)甲基硅氧烷]-二甲基硅氧烷共聚物、[13%至17% (巯基丙基)甲基硅氧烷]-二甲基硅氧烷共聚物、(巯基丙基)甲基硅氧烷均聚物、及其组合。
[0008]方案4.如方案I所限定的电解质，其中:
所述溶剂选自I，3_二氧戊环、二甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、I，2_二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四乙二醇二甲醚(TEGDME)、聚乙二醇二甲醚(PEGDME)、及其混合物;并且
所述锂盐选自双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2或LiTFSI)、LiN03、LiPF6、LiBF4、Li1、LiBr、LiSCN、LiC104、LiAlCl4、LiB(C204)2(LiB0B)、LiB(C6H5)4、LiBF2(C204)(Li0DFB)、LiN(SO2F)2(LiFSI)、LiPF3(C2F5)3(LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C204) (LiFOP)、LiPF3(CF3)3、LiS03CF3、LiAsF6、及其组合。
[0009]方案5.如方案I所限定的电解质，其中:
所述溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、1,2-二甲氧基乙烷、I，2_二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、及其组合;并且
所述锂盐选自双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiN(CF3SO2)2或LiTFSI)、LiN03、LiPF6、LiBF4、Li1、LiBr、LiSCN、LiC104、LiAlCl4、LiB(C204)2(LiB0B)、LiB(C6H5)4、LiBF2(C204)(Li0DFB)、LiN(SO2F)2(LiFSI)、LiPF3(C2F5)3(LiFAP)、LiPF4(CF3)2、LiPF4(C204) (LiFOP)、LiPF3(CF3)3、LiS03CF3、LiAsF6、及其组合。
[0010]方案6.如方案I所限定的电解质，其中所述添加剂以电解质总重量％的约I重量％至约10重量%的量存在。
[0011]方案7.负极结构，其包含:
包含活性材料的负极;和
在所述负极的表面上形成的固体电解质界面(SEI)层，所述SEI层由巯基硅烷、巯基硅氧烷、及其组合形成。
[0012]方案8.如方案7所限定的负极结构，其中所述巯基硅烷选自(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷、(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)甲基二甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、(11 -巯基i^一烷氧基)三甲基硅烷、及其组合。
[0013]方案9.如方案7所限定的负极结构，其中所述巯基硅氧烷选自[4%至6%(巯基丙基)甲基硅氧烷]-二甲基硅氧烷共聚物、[13%至17% (巯基丙基)甲基硅氧烷]-二甲基硅氧烷共聚物、(巯基丙基)甲基硅氧烷均聚物、及其组合。
[0014]方案10.如方案7所限定的负极结构，其中所述活性材料选自石墨、娃基材料和锂基材料。
[0015]方案11.在电极表面上制造固体电解质界面(SEI)层的方法，所述方法包括:
使所述电极暴露于电解质，所述电解质包含:
溶剂；
锂盐;和
添加剂，其选自疏基娃烧、疏基娃氧烧、及其组合。
[0016]方案12.如方案11所限定的方法，其中在电化学电池中使所述电极暴露于电解质，并且其中所述方法还包括对所述电化学电池施加电压。
【附图说明】
[0017]
本公开的实例的特性将通过参照下面的【具体实施方式】和附图而变得明显，其中同样的附图标记对应相似的(尽管可能并不相同的)组件。为了简洁起见，具有在之前已描述的功能的附图标记或特性可能连同或不连同它们出现于其中的其它附图一起描述。
[0018]图1是在L1H存在时在负极上形成的固体电解质界面(SEI)层的示意性图解；
图2A至2C是图解包含对比例电解质和本文公开的电解质实施例的锂-锂对称电池的电压对时间(T，以小时计)的图；
图3是图解用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷涂布的铜工作电极的库伦效率(％)的图；以及图4是图解在电解质中含有聚(巯基丙基)甲基硅氧烷的铜工作电极的库伦效率(％)的图。
【具体实施方式】
[0019]
锂基电池通常通过在负极(有时称阳极)和正极(有时称阴极)之间可逆地传递锂离子来运行。负极和正极位于用适于传导锂离子的电解质溶液浸泡的多孔聚合物隔膜的相对两侦U。在充电过程中，锂离子嵌入/插入到负极中，并且在放电过程中，锂离子从负极中抽出。各个电极还与各自的集流体相关联，所述集流体通过能使电流在负极与正极之间传递的可断开的外电路连接。锂基电池的实例包括锂硫电池(即包含硫基正极)、锂离子电池(即包含锂基正极)和锂-锂电池(即包含锂基正极和负极)。
[0020]本文公开的负极的实例具有在其表面上形成的固体电解质界面(SEI)层。该SEI层由存在于电解质溶液中的添加剂形成。由于添加剂存在于电解质溶液中，SEI层可以在电化学电池中原位形成。如在本文中所使用的，电化学电池可以指锂硫电池、锂离子电池或半电池，或者具有工作电极和对电极/参比电极的L1-Li对称电池(即锂-锂电池)。在本文中称为非原位技术的其它技术也可以用于形成SEI层。由于它们在电化学电池外进行，这些技术被认为是非原位的。
[0021]本文公开的添加剂与负极材料(例如锂、硅和石墨)具有强相互作用。据信，一种或多种添加剂与电极之间的化学反应甚至可以在没有施加电压的情况下发生。
[0022]添加剂的实例包括疏基娃烧、疏基娃氧烧、及其组合。疏基娃烧的一些具体的实例包括(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(3-MPS)、(巯基甲基)甲基二乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)甲基一■甲氧基娃烧、(3-