用于具有硅电极的锂离子单池的电解质组合物的制作方法

1.本公开一般涉及用于具有硅电极的锂离子单池的电解质组合物。


背景技术：

2.电池或电池系统包括一个或多个电池单池。锂离子单池或锂离子电池单池包括在放电循环期间锂离子通过电解质组合物从阳极移动到阴极的操作。在充电循环期间，锂离子从阴极到阳极反向移动。电解质组合物被配置用于提供介质，锂离子可在电池操作期间运动通过所述介质。


技术实现要素：

3.提供了一种用于在包括硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物。电解质组合物包括极性溶剂和至少一种锂盐，所述极性溶剂选自由以下组成的组：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合，所述至少一种锂盐以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中。至少一种锂盐和极性溶剂向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池系统的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。
4.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
5.在一些实施例中，基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物还包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
6.在一些实施例中，非离子表面活性剂选自由以下组成的组：聚乙二醇对-(l,l,3,3-四甲基丁基)-苯基醚和聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)。
7.在一些实施例中，电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
8.在一些实施例中，电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
9.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。电解质组合物还包括非离子表面活性剂。电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
10.根据一个另选的实施例，提供了一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物。电解质组合物包括极性溶剂和至少一种锂盐，所述极性溶剂包括基于100重量份的极性溶剂以至少60重量份存在的碳酸丙烯酯，所述至少一种锂盐以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中。至少一种锂盐和碳酸丙烯酯向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池系统的硅基负
电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。
11.在一些实施例中，基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。
12.在一些实施例中，基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于10重量份存在的氟代碳酸乙烯酯。
13.在一些实施例中，基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于5重量份存在的二氟碳酸乙烯酯。
14.在一些实施例中，基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物还包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
15.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
16.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于10重量份存在的氟代碳酸乙烯酯。电解质组合物还包括非离子表面活性剂。
17.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还包括以小于或等于5重量份存在的二氟碳酸乙烯酯。基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物还包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
18.根据一个另选的实施例，提供了一种装置。装置包括输出部件和被配置用于向输出部件提供电能的电池。电池包括硅基负电极、正电极和设置在硅基负电极和正电极之间的电解质组合物。电解质组合物包括选自由以下组成的组的极性溶剂：碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合。电解质组合物还包括以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中的至少一种锂盐。至少一种锂盐和极性溶剂向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场在一些实施例中，电解质组合物还包括非离子表面活性剂。
19.在一些实施例中，电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
20.在一些实施例中，电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
21.在一些实施例中，至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。电解质组合物还包括非离子表面活性剂。电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
22.本发明包括以下方案。
23.方案1. 一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电
解质组合物，所述电解质组合物包含：选自由以下组成的组的极性溶剂：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合；和以每1升所述极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在所述极性溶剂中的所述至少一种锂盐；并且其中所述至少一种锂盐和所述极性溶剂向所述电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低所述电池系统的所述硅基负电极中的每个所述活性材料粒子的表面处存在的电场。
24.方案2. 根据权利要求1所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
25.方案3. 根据方案1所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述电解质组合物，所述电解质组合物还包含以0.1重量份至3.0重量份的量存在的非离子表面活性剂。
26.方案4. 根据方案3所述的电解质组合物，其中所述非离子表面活性剂选自由以下组成的组：聚乙二醇对-(l,l,3,3-四甲基丁基)-苯基醚和聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)。
27.方案5. 根据方案1所述的电解质组合物，其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
28.方案6. 根据方案1所述的电解质组合物，其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
29.方案7. 根据方案1所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合；其中所述电解质组合物还包含非离子表面活性剂；其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合；并且其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
30.方案8. 一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物，所述电解质组合物包含：包括基于100重量份的所述极性溶剂以至少60重量份存在的碳酸丙烯酯的极性溶剂；和以每1升所述极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在所述极性溶剂中的所述至少一种锂盐；并且其中所述至少一种锂盐和所述碳酸丙烯酯向所述电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低所述电池系统的所述硅基负电极中的每个所述活性材料粒子的表面处存在的电场。
31.方案9. 根据方案8所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于30重量份的量存在的碳酸二甲酯。
32.方案10. 根据方案9所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于10重量份的量存在的氟代碳酸乙烯酯。
33.方案11. 根据方案9所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述极性溶剂，
所述极性溶剂还包括以小于或等于5重量份的量存在的二氟碳酸乙烯酯。
34.方案12. 根据方案11所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述电解质组合物，所述电解质组合物还包括以0.1重量份至3.0重量份的量存在的非离子表面活性剂。
35.方案13. 根据方案8所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
36.方案14. 根据方案8所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合；其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于30重量份的量存在的碳酸二甲酯；其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于10重量份的量存在的氟代碳酸乙烯酯；并且其中所述电解质组合物还包括非离子表面活性剂。
37.方案15. 根据方案8所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合；其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于30重量份的量存在的碳酸二甲酯；其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于5重量份的量存在的二氟碳酸乙烯酯；并且其中基于100重量份的所述电解质组合物，所述电解质组合物还包括以0.1重量份至3.0重量份的量存在的非离子表面活性剂。
38.方案16. 一种装置，其包括：输出部件；和被配置用于向所述输出部件提供电能的电池；所述电池包括：具有活性粒子的硅基负电极；正电极；和设置在所述硅基负电极和所述正电极之间的电解质组合物；所述电解质组合物包括：选自由以下组成的组的极性溶剂：碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合；以及以每1升所述极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在所述极性溶剂中的所述至少一种锂盐；并且其中所述至少一种锂盐和所述极性溶剂向所述电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低所述电池的所述硅基负电极中的每个所述活性材料粒子的表面处存在的电场。
39.方案17. 根据方案16所述的装置，其中所述电解质组合物还包括非离子表面活性剂。
40.方案18. 根据方案16所述的装置，其中所述电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
41.方案19. 根据方案16所述的装置，其中所述电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
42.方案20. 根据方案16所述的装置，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合；其中所述电解质组合物还包括非离子表面活性剂；
其中所述电解质组合物还包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合；并且其中所述电解质组合物还包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
43.当结合附图时，从以下对实施本公开进行的最佳模式的详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
44.图1示意性地说明了根据本公开的包括阳极、阴极、隔膜和电解质组合物的示例性电池单池；图2示意性地说明了根据本公开的存在电场的情况下偶极子的操作；图3说明了根据本公开的通过电池系统老化测试的多个电池系统的比容量的图表，每个电池系统包括不同的电解质组合物；和图4示意性地说明了根据本公开的包括电池组的示例性装置，所述电池组包括多个图1的电池单池。
具体实施方式
45.在操作期间，电池系统消耗电活性锂，并经历由带负电的阳极和带正电的阴极之间产生的电场引起的表面膜生长。表面膜生长和锂粒子在电极上的沉积可引起枝晶生长或从电极表面竖起的指状突起的生长。在电极上的硅粒子的尖锐边缘和拐角处的强烈或相对强的电场促进了结构重新排列期间的枝晶生长和锂离子单池操作期间硅粒子经历的大体积变化。枝晶增加了表面积，这导致随着电解质溶液消耗，寄生反应加速，导致非预期的表面膜生长和析气。这些继而可引起单池厚度增加和最终的单池不可操作性，并且可放大由于异常单池操作或机械滥用的热事件的可能性。
46.电解质溶液可被定义为电解质组合物或构成电解质溶液的组分的组合物。提供了一种电解质组合物，其用于带有具有活性材料粒子的硅基阳极的锂离子电池。电解质组合物减轻了硅活性材料粒子中粒子到枝晶的转变。电解质组合物最小化表面膜生长和析气。电解质组合物最小化异常操作条件或机械滥用条件下热事件的可能性。
47.电解质组合物包括基础配制物，其包括一种或多种锂盐加极性溶剂或极性溶剂的混合物。基础配制物的功能是使得锂离子能够在电极之间迁移。电解质组合物还包括添加剂包，其包括分子化合物和/或盐。添加剂包的功能是在电极表面形成保护膜。这些保护膜防止阴离子和极性溶剂与阳极和阴极的活性材料接触，因为这些物质之间的直接接触可引起电池系统的热力学不稳定性。包括基础配制物和添加剂包的所得电解质组合物可导致优异的锂离子传导性、电极之间的电绝缘、电极和隔膜的优异润湿、与其它电池材料的化学相容性以及电极中活性材料表面的钝化。此外，包括基础配制物和添加剂包的所得电解质组合物可导致所包括的锂盐在非质子极性溶剂中表现出相对容易的离解（dissociation），以及阴离子抵抗在阳极处还原和在阴极处氧化的稳定性。此外，包括基础配制物和添加剂包的所得电解质组合物可导致所包括的极性溶剂表现出相对低的熔点以及相对高的沸点和闪点；表现出相对宽的电化学稳定性窗口、相对低的粘度、相对低的毒性以及相对高的介电
常数和偶极矩。此外，包括所公开的添加剂的电解质组合物提供优异的分解电势以在电极上形成膜，其中所述膜提供或促进优异的锂离子传导性和电极之间优异的电绝缘。此外，包括添加剂包的所得电解质组合物可使电解质组合物的表面张力与电池系统的隔膜中的材料的表面张力以及复合阳极和阴极的表面张力相匹配。
48.电解质组合物可添加偶极子以减少或抵消电极之间产生的电场。与其它电解质组合物相比，所述电解质组合物可包括相对高浓度的电解质溶液。电解质组合物可包括高偶极矩极性溶剂。电解质组合物可包括使用由高浓度的离子对和没有游离的极性溶剂分子的极性溶剂实现的偶极子，以减少粒子边缘的净电场和硅粒子的问题。电解质组合物可包括表面活性剂，以改善通过电解质组合物的对隔膜和电极的润湿。电解质组合物可包括具有相对低蒸气压以及相对高沸点和闪点的极性溶剂，以避免或防止热事件。与其它电解质组合物相比，所述电解质组合物可为热阻燃的或更热阻燃的。电解质组合物可包括添加的热阻燃材料作为添加剂。
49.电解质组合物可相对浓缩，使得极性溶剂分子被限制于锂离子的溶剂化球体。操作来自离子对的偶极子以降低电极中硅粒子周围的电场，从而阻止了粒子到枝晶的转变。通过使用相对高极性溶剂，可进一步降低电场。
50.电解质组合物可包括具有相对低蒸气压以及相对高沸点和闪点的极性溶剂，连同表面活性剂，以使电解质组合物的表面张力与聚合物隔膜的表面张力相匹配，并且因此改善用电解质组合物的隔膜和电极的润湿。基于100重量份的电解质组合物，表面活性剂可以0.1重量份至3.0重量份的量存在。
51.所公开的电解质组合物可包括至少2.0摩尔（molar）的盐浓度。也就是说，电解质组合物可包括以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中的至少一种锂盐。所公开的电解质组合物可包括2.5摩尔至3.0摩尔的锂盐浓度。至少一种锂盐可包括lipf6、lifsi、litfsi、libf4和/或其组合。
52.所公开的电解质组合物可包括具有高沸点和闪点以及低蒸气压的相对高极性的溶剂。极性溶剂可选自由以下组成的组：碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和/或这些极性溶剂以不同体积比的组合。
53.所公开的电解质组合物可包括一种或多种非离子表面活性剂。表面活性剂可包括pluronic
®ꢀ
p123（p123）（cas # 9003-11-6），其可通过美国新泽西州弗洛勒姆帕克的巴斯夫公司（basf corporation of florham park, new jersey, us）商购获得，并且为具有国际纯粹与应用化学联合会（iupac）名称聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)的三嵌段共聚物；triton x-100
®
（cas # 9002-93-1），可通过美国德克萨斯州北史德瑞夫特的联合碳化物公司（union carbide corporation of north seadrift, texas, us）商购获得，并且其可由化学名称聚乙二醇对-(l,l,3,3-四甲基丁基)-苯基醚，iupac名称2-[4-(2,4,4-三甲基戊-2-基)苯氧基]乙醇来描述；和/或其组合。如本文所述，在电解质组合物中使用一种或多种表面活性剂可用于使电解质组合物和隔膜之间的表面张力相匹配，并且从而改善电极和隔膜的润湿。
[0054]
所公开的电解质组合物可包括固体电解质界面（sei）形成添加剂。sei形成添加剂可包括二氟碳酸乙烯酯（dfec）、lipo2f2和/或其组合。（一种或多种）sei形成添加剂的使用可用于防止硅电极上不希望的表面膜生长和由于寄生反应的析气。
[0055]
所公开的组合物可包括热阻燃共极性溶剂。热阻燃共极性溶剂可包括有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和/或其组合。
[0056]
可选择锂盐和极性溶剂用于在所公开的电解质组合物中使用，以优化或增强向电解质组合物中添加大量偶极子。这些偶极子对于降低每个活性材料粒子表面处存在的电场是有用的。电偶极子是一种实体，其中负电荷和正电荷不完全重叠（例如，在原子的情况下，其中电子云的电荷完全被其原子核中质子的电荷抵消）。偶极子可由正离子和负离子形成（其中这被称为“离子对”）。它也可存在于非对称分子中，其中电子云的负电荷的重心在空间上与分子的原子核总和中的正电荷的重心不重合。从一定的距离看，整个组合看起来为电中性的，但近看就不是这样了。
[0057]
人们可利用所公开的具有相对大浓度的偶极子（离子对和/或极性分子）的电解质组合物来降低在电化学循环期间在硅活性材料粒子中发生的粒子到枝晶转变的驱动力，所述转变尤其发生在存在于si粒子的边缘和拐角处的强电场下。所公开的电解质组合物包括相对大浓度的偶极子，因为在外部电场中偶极子的最小势能的配置是用在与平行于所施加的场的方向反向（counter-parallel）的方向上取向的其自身的场（称为偶极矩）进行的。结果，从硅粒子或向硅粒子移动的锂离子将经历降低的净电，因此粒子到枝晶转变的驱动力将更小。
[0058]
提供了一种用于在包括硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物。电解质组合物包括极性溶剂和至少一种锂盐，所述极性溶剂选自由以下组成的组：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合，所述至少一种锂盐以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中。至少一种锂盐和极性溶剂向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池系统的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。
[0059]
至少一种锂盐可选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
[0060]
基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物可包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
[0061]
非离子表面活性剂可选自由以下组成的组：聚乙二醇对-(l,l,3,3-四甲基丁基)-苯基醚和聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)。
[0062]
电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
[0063]
电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
[0064]
至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。电解质组合物还包含非离子表面活性剂。电解质组合物还包含选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。电解质组合物还包含选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
[0065]
根据一个另选的实施例，提供了用于在包括硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物。电解质组合物包括极性溶剂和至少一种锂盐，所述极性溶剂包括基于100重量份的极性溶剂以至少60重量份存在的碳酸丙烯酯，所述至少一种锂盐以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中。至少一种锂盐和碳酸丙烯酯向电解质组合
物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池系统的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。
[0066]
基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。
[0067]
基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于10重量份存在的氟代碳酸乙烯酯。
[0068]
基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于5重量份存在的二氟碳酸乙烯酯。
[0069]
基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物可包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
[0070]
至少一种锂盐可选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。
[0071]
至少一种锂盐可选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于10重量份存在的氟代碳酸乙烯酯。电解质组合物还可包括非离子表面活性剂。
[0072]
至少一种锂盐可选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于30重量份存在的碳酸二甲酯。基于100重量份的极性溶剂，极性溶剂还可包括以小于或等于5重量份存在的二氟碳酸乙烯酯。基于100重量份的电解质组合物，电解质组合物可包括以0.1重量份至3.0重量份存在的非离子表面活性剂。
[0073]
根据一个另选的实施例，提供了一种装置。装置包括输出部件和被配置用于向输出部件提供电能的电池。电池包括硅基负电极、正电极和设置在硅基负电极和正电极之间的电解质组合物。电解质组合物包括选自由以下组成的组的极性溶剂：碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合。电解质组合物还包括以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中的至少一种锂盐。至少一种锂盐和极性溶剂向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场电解质组合物还可包括非离子表面活性剂。
[0074]
电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。
[0075]
电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
[0076]
至少一种锂盐可选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。电解质组合物还包括非离子表面活性剂。电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。电解质组合物还可包括选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。
[0077]
现在参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中指代相同的特征，图1示意性地说明包括阳极10、阴极20、隔膜30和电解质组合物40的示例性电池系统5。电池系统5使得电能能够在充电循环中转换成存储的化学能，并且电池系统5使得存储的化学能能够在放电
循环中转换成电能。阳极10包括第一集电器12。阴极20包括第二集电器22。隔膜30可操作以将阳极10与阴极20分开，并使得离子能够穿过隔膜30来转移。电解质组合物40为在阳极10和阴极20之间提供锂离子传导路径的液体和/或凝胶。
[0078]
阳极10包括涂层14。涂层14可由在包括硅的阳极中有用的活性材料粒子构造。阴极20包括涂层24。涂层24可由在阴极中有用的活性材料粒子构造。
[0079]
图2示意性地说明存在电场110的情况下偶极子100的操作。电场110可以由两个带电粒子或板产生，例如图1的电池系统5内的电极。电场110的画出的箭头指向电场110的负极。偶极子100包括带正电的粒子130和带负电的粒子140。偶极子100作为离子对存在于图1的电解质组合物40内。在液体或凝胶电解质组合物40内，带正电的粒子130被吸引到电场110的负极，并且带负电的粒子140被吸引到电场110的正极。由于电场的这些吸引力，正粒子130、负粒子140以及正粒子130和负粒子140之间的所得偶极矩120与电场110的极性相反地对准。结果，偶极矩120用于抵消或降低电场110的强度。这样，在图1的电解质组合物40内使用偶极子100对降低图1的电池系统5内的电场110的强度有用。更具体地，至少一种锂盐和极性溶剂一起向电解质组合物40添加偶极子100，所述偶极子100被配置用于降低每个活性材料粒子的表面处存在的电场110。
[0080]
图3为说明通过电池系统老化测试的多个电池系统的比容量的图表200，每个电池系统包括不同的电解质组合物。横轴202说明电池系统老化测试的循环指数。纵轴204说明每个电池系统的比容量。曲线210、220、230和240说明通过电池系统老化测试的每个电池系统的比容量损失或比容量损失率。电池系统老化测试包括以c/3速率（电池系统总电流容量的三分之一）和以保持在2.75 v和4.10 v之间的电池系统电压来循环电池系统。曲线210说明包括1m lipf6/氟代碳酸乙烯酯（fec）:碳酸二甲酯（dmc）1:4的电解质组合物的电池系统。曲线210表示基线系统，提供与曲线220、曲线230和曲线240的比较。曲线220说明包括1 m lipf6/dmc:碳酸丙烯酯（pc）:fec （3:6:1） + 2重量% lipo2f2的电解质组合物的电池系统。曲线230说明包括1 m lipf6/dmc:pc:二氟碳酸乙烯酯（dfec）（30:65:5） + 2重量% lipo2f2的电解质组合物的电池系统。曲线240说明包括1 m lipf6/dmc:pc:dfec（30:65:5） + 2重量% lipo2f
2 +表面活性剂（p123）的电解质组合物的电池系统。pc作为极性溶剂提供，其提供相对大数量的偶极子，并且另外具有相对低的蒸气压以及相对高的沸点和闪点。fec、dfec和lipo2f2分别作为极性溶剂和盐提供，其促进或使得能够在电极上形成优异的sei，并防止电极上过度的表面膜生长和析气。
[0081]
曲线220和曲线230在图表200的最左侧表现出正斜率。这些反常读数可归因于由于在测试开始时电解质组合物未完全填充电极和隔膜上的孔而产生的假象。分析曲线210、曲线220、曲线230和曲线240，特别是从左到右的曲线斜率，可看出曲线210表现出最高的长期比容量损失（最高斜率）。曲线230表现出下一最高的长期比容量损失（第二高的斜率）。曲线220表现出下一最高的长期比容量损失（第三高的斜率）。曲线240表现出最低的长期比容量损失（第四高的斜率）。曲线240所说明的包括包含1 m lipf6/dmc:pc:dfec（30:65:5） + 2重量% lipo2f
2 +表面活性剂的电解质组合物的电池系统和曲线220所说明的包括包含1 m lipf6/dmc:pc:fec （3:6:1） + 2重量%lipo2f的电解质组合物的电池系统在电池系统老化测试中保持比容量方面表现最佳。此外，曲线220、曲线230和曲线240所说明的电解质组合物还包括在每种电解质组合物中降低dmc比例和在每种电解质组合物中添加pc的益处，这
两者都降低了在空气中拆卸单池时热事件的可能性。
[0082]
电池系统5可用于广泛的应用和动力系统中。图4示意性地说明示例性装置200，例如电池电动车辆（bev），包括电池组310，所述电池组310包括多个电池系统5。多个电池系统5可以以各种组合来连接，例如其中一部分并联连接，并且一部分串联连接，以实现以期望的电压供应电能的目标。电池组310被说明为电连接到电动发电机单元320，用于向车辆300提供动力。电动发电机单元320可包括输出部件321，例如输出轴，其提供用于向车辆300提供动力的机械能。设想了车辆300的多种变型，并且本公开不旨在限于所提供的示例。
[0083]
虽然已经详细描述了实施本公开的最佳模式，但是熟悉本公开相关领域的技术人员将会认识到在所附权利要求的范围内用于实践本公开的各种另选的设计和实施例。

技术特征：
1. 一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物，所述电解质组合物包含：选自由以下组成的组的极性溶剂：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合；和以每1升所述极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在所述极性溶剂中的所述至少一种锂盐；并且其中所述至少一种锂盐和所述极性溶剂向所述电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低所述电池系统的所述硅基负电极中的每个所述活性材料粒子的表面处存在的电场。2.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合。3.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述电解质组合物，所述电解质组合物还包含以0.1重量份至3.0重量份的量存在的非离子表面活性剂。4.根据权利要求3所述的电解质组合物，其中所述非离子表面活性剂选自由以下组成的组：聚乙二醇对-(l,l,3,3-四甲基丁基)-苯基醚和聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)。5.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合。6.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。7.根据权利要求1所述的电解质组合物，其中所述至少一种锂盐选自由以下组成的组：lipf6、lifsi、litfsi、libf4和其组合；其中所述电解质组合物还包含非离子表面活性剂；其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的固体电解质界面形成添加剂：二氟碳酸乙烯酯、二氟磷酸锂（lipo2f2）和其组合；并且其中所述电解质组合物还包含选自由以下组成的组的热阻燃共极性溶剂：有机磷酸酯、亚磷酸酯、膦酸酯和其组合。8. 一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物，所述电解质组合物包含：包括基于100重量份的所述极性溶剂以至少60重量份存在的碳酸丙烯酯的极性溶剂；和以每1升所述极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在所述极性溶剂中的所述至少一种锂盐；并且其中所述至少一种锂盐和所述碳酸丙烯酯向所述电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低所述电池系统的所述硅基负电极中的每个所述活性材料粒子的表面处存在的电场。9.根据权利要求8所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于30重量份的量存在的碳酸二甲酯。10.根据权利要求9所述的电解质组合物，其中基于100重量份的所述极性溶剂，所述极性溶剂还包括以小于或等于10重量份的量存在的氟代碳酸乙烯酯。

技术总结
提供一种用于在包括具有活性材料粒子的硅基负电极的电池系统中使用的电解质组合物。电解质组合物包括极性溶剂和至少一种锂盐，所述极性溶剂选自由以下组成的组：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯和其组合，所述至少一种锂盐以每1升极性溶剂至少2摩尔的至少一种锂盐的浓度溶解在极性溶剂中。至少一种锂盐和极性溶剂向电解质组合物添加偶极子，所述偶极子被配置用于降低电池系统的硅基负电极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。极中的每个活性材料粒子的表面处存在的电场。


技术研发人员：I
受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术研发日：2022.10.20
技术公布日：2023/9/23