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CN116569356A - 包含含氮的物质的电化学电池和/或其组件、及其形成方法 - Google Patents

包含含氮的物质的电化学电池和/或其组件、及其形成方法 Download PDF

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Abstract

一般地提供了涉及电化学电池和/或电化学电池组件(例如，电极和/或电解质)的制品和方法，所述电化学电池和/或电化学电池组件包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或这样的物质的反应产物。所述电化学电池可以包括电极(例如，阴极和/或阳极)，所述电极包括保护层，所述保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。所述电化学电池可以包括电解质，所述电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。

Description

包含含氮的物质的电化学电池和/或其组件、及其形成方法
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2020年10月9日提交的美国临时专利申请第63/089,862号和于2020年10月9日提交的美国临时专利申请第63/090,146号的优先权，其在此通过引用整体并入。
技术领域
一般地提供了涉及电化学电池和/或电化学电池组件(例如，电极和/或电解质)的制品和方法，所述电化学电池和/或电化学电池组件包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或这样的物质的反应产物。
背景技术
近年来开发高能量密度可再充电电池(例如，可再充电Li离子电池)引起了相当大的关注。在这样的电池中，电极(例如，阳极和/或阴极)可能经历与电解质组分的反应，该反应导致不期望的物质的形成。其中形成有这些不期望的物质的可再充电电池通常表现出有限的循环寿命。例如，在这样的电池中，电极材料(例如，阴极材料)可能在循环期间降解，从而导致容量或循环寿命的降低。这种降解的一种原因是阳离子(例如，钴、镍、锰等)从电极(例如，阴极)扩散至电解质并在另一个电极(例如，阳极)上还原。容量和/或循环寿命的这种降低的另一个原因是由于电解质组分在电极表面(例如，阴极表面)上的氧化，特别是在较高的充电电压下。因此，用于提高循环寿命和/或其他改善的制品和方法将是有益的。
发明内容
一般地提供了涉及电化学电池和/或电化学电池组件(例如电极和/或电解质)的制品和方法，所述电化学电池和/或电化学电池组件包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或这样的物质的反应产物。在一些情况下，本文公开的主题涉及相关的产品、针对特定问题的替代解决方案、和/或一种或更多种体系和/或制品的多种不同用途。
某些实施方案涉及电化学电池。在一些实施方案中，电化学电池包括第一电极；和第二电极，所述第二电极包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。
在一些实施方案中，电化学电池包括第一电极；第二电极；和设置在第二电极上的保护层，其中设置在第二电极上的保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。
在一些实施方案中，电化学电池包括包含锂金属的第一电极；和电解质，其中电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质。在一些实施方案中，电解质还包含含不稳定的卤素原子的第二物质。在一些实施方案中，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质中不存在吸电子取代基。
在一些实施方案中，电化学电池包括包含锂金属的第一电极；和设置在第一电极上的保护层，其中保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。在一些实施方案中，该物质中不存在吸电子取代基。在一些实施方案中，电化学电池包括第二电极。在一些实施方案中，第二电极包含过渡金属。在一些实施方案中，在第二电极上设置有第二保护层。在一些实施方案中，第二保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其第二反应产物。
在一些实施方案中，第二反应产物包含锂金属与含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质与含不稳定的卤素原子的第二物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质、含不稳定的卤素原子的第二物质和过渡金属之间的反应产物。
某些实施方案涉及方法。在一些实施方案中，所述方法包括：使包含过渡金属的电极暴露于包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质的溶液；以及形成设置在电极上的保护层，其中保护层包含所述物质和/或其反应产物。在一些实施方案中，电极包括第二电极。在一些实施方案中，所述方法包括将第二电极与第一电极组合以形成电化学电池。
在一些实施方案中，所述方法包括：使电极暴露于包含过渡金属的初步溶液；使电极暴露于包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质的溶液；以及形成设置在电极上的保护层，其中保护层包含所述物质和/或其反应产物。在一些实施方案中，电极包括第二电极。在一些实施方案中，所述方法包括将第二电极与第一电极组合以形成电化学电池。
在一些实施方案中，所述方法包括将一定体积的电解质放置在包括有第一电极的电化学电池中，其中第一电极包含锂金属，以及其中电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质；以及在第一电极上形成保护层，其中保护层包含所述物质和/或其反应产物。在一些实施方案中，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质中不存在吸电子取代基。
在一些实施方案中，反应产物包含金属(例如，锂金属和/或过渡金属)与含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质与含不稳定的卤素原子的第二物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质、含不稳定的卤素原子的第二物质和金属(例如，锂金属和/或过渡金属)之间的反应产物。
在一些实施方案中，电化学电池包括电解质。在一些实施方案中，电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或含不稳定的卤素原子的第二物质。
在一些实施方案中，第一电极包含锂金属。在一些实施方案中，在第一电极上设置有保护层。在一些实施方案中，保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含锂金属与含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质与含不稳定的卤素原子的第二物质之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质、含不稳定的卤素原子的第二物质和锂金属之间的反应产物。
在结合附图考虑时，根据本发明的各种非限制性实施方案的以下详细描述，本发明的其他优点和新特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包含冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。如果通过引用并入的两个或更多个文献包含相对于彼此冲突和/或不一致的公开内容，则应以生效日期在后的文献为准。
附图说明
将参照附图通过实例的方式来描述本发明的非限制性实施方案，附图为示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，示出的各个相同或几乎相同的组件典型地由单一附图标记表示。为了清楚起见，在不需要图解来使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，不是每个组件在每幅附图中都被标记，也不是本发明的各个实施方案的每个组件都被示出。在附图中：
图1A示出了根据一些实施方案的电极(例如，阴极或阳极)。
图1B示出了根据一些实施方案的设置在电极(例如，阴极或阳极)上的层(例如，保护层)。
图1C示出了根据一些实施方案的包括第一电极和第二电极的电化学电池。
图1D示出了根据一些实施方案的包括第一电极和第二电极的电化学电池，其中在电极(例如，第二电极例如阴极或者第一电极例如阳极)中的一者上设置有层(例如，保护层)。
图1E示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极和电解质的电化学电池，其中在第二电极(例如，阴极)上设置有层(例如，保护层)。
图1F示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极和电解质的电化学电池，其中在第二电极(例如，阴极)上设置有层(例如，保护层)以及在第一电极(例如，阳极)上设置有层(例如，保护层)。
图2示出了根据一些实施方案的施加有各向异性力的电化学电池。
图3A示出了根据一些实施方案的包括第一电极和包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)的电解质的电化学电池。
图3B示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极和电解质的电化学电池。
图3C示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极和电解质的电化学电池，其中电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。
图3D示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极、电解质(其中电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质))和层(例如，其中所述层包含第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物)的电化学电池。
图3E示出了根据一些实施方案的包括第一电极、第二电极、电解质和层(例如，保护层)的电化学电池，其中所述层包含反应产物(例如，第一反应性物质与第二反应性物质的反应产物；第一反应性物质与电极中的一者的金属之间的反应产物；和/或第一反应性物质、第二反应性物质和电极中的一者的金属之间的反应产物)。
图4示出了根据一些实施方案的实施例9和比较例1的作为循环的函数的放电容量(mAh)。
图5示出了根据一些实施方案的实施例10以及比较例3和4的作为循环的函数的放电容量(mAh)。
具体实施方式
一般地提供了涉及电化学电池和/或电化学电池组件(例如，电极和/或电解质)的制品和方法，所述电化学电池和/或电化学电池组件包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和这样的物质的反应产物。如以下进一步详细地描述的，这样的物质可以在全文中称为“第一反应性物质”。因此，如本文所使用的，短语“第一反应性物质”应被理解为是指所有含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质。第一反应性物质中的共轭的带负电荷的含氮原子的环可以在全文中称为“反应性环”。因此，短语“反应性环”应被理解为是指形成第一反应性物质的一部分的所有共轭的带负电荷的含氮原子的环。在一些实施方案中，可以存在多于一种第一反应性物质(例如，设置在电极上的第一反应性物质和电解质中的第一反应性物质)。在这样的实施方案中，第一反应性物质可以相同或不同。
如本文所述，电化学电池可以包括一个或更多个电极(例如，第一电极和/或第二电极)。在一些实施方案中，第二电极包含过渡金属。在一些实施方案中，第二电极包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或其反应产物以及/或者在第二电极上设置有保护层(例如，包含第一反应性物质和/或其反应产物的保护层)。在一些实施方案中，反应产物包含过渡金属与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)之间的反应产物。在一些实施方案中，反应产物包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)之间的反应产物。在一些实施方案中，反应包括在过渡金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物之间的反应产物)。
本文公开的反应产物和/或本文公开的保护层可以以任何合适的方式形成。例如，在一些实施方案中，第二电极(例如，包含过渡金属的第二电极)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或与其反应产物相互作用。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或其反应产物可以沉积在电极(例如，包含过渡金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。例如，在一些实施方案中，包含过渡金属的电极中的过渡金属与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)反应以形成反应产物。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含过渡金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。作为另一个实例，在一些实施方案中，第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)反应以形成反应产物。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含过渡金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。在又一个实例中，在一些实施方案中，包含过渡金属的电极中的过渡金属与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)反应(例如，过渡金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物反应)。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含过渡金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。
本文公开的反应产物和/或保护层中的一者或更多者可以在一个或更多个方面是期望的。例如，在一些实施方案中，保护层可以能够保护电极例如阴极(例如，过渡金属的电极)免于与也存在于电化学电池中的一种或更多种其他物质例如存在于电解质中的一种或更多种物质的有害反应。在一些实施方案中，通过本文描述的反应形成的保护层可以是有利的。通过实例的方式，其可以具有相对低的电阻。作为另一个实例，第一反应性物质可以与金属(例如，过渡金属)反应以产生固体电解质层(solid electrolyte layer，SEI)和/或SEI的组分。在一些实施方案中，在一个或更多个方面中与其他SEI相比，通过本文描述的反应形成的SEI可以是有利的。通过实例的方式，通过本文描述的反应形成的SEI可以是特别稳定的，可以起保护层的作用，和/或可以具有相对低的电阻。
如本文所述，电化学电池可以包括电解质。在一些实施方案中，电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。
如本文所述，电化学电池可以包括第一电极。在一些实施方案中，第一电极包含锂金属(例如，真空沉积的锂)。在一些实施方案中，第一电极(例如，锂金属)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或与其反应产物相互作用(例如，在电解质中)。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或其反应产物可以沉积在电极(例如，第一电极，例如包含锂金属的阳极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。例如，在一些实施方案中，包含锂金属的电极中的锂金属与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)反应以形成反应产物。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含锂金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。作为另一个实例，在一些实施方案中，第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)反应以形成反应产物。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含锂金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。作为又一个实例，在一些实施方案中，包含锂金属的电极中的锂金属与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)反应(例如，锂金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物反应)。该反应的反应产物可以沉积在电极(例如，包含锂金属的电极)上以形成具有期望特性的保护层或其组分。
金属(例如，锂金属)与第一反应性物质和/或其反应产物(例如，第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物)的反应可以产生在一个或更多个方面期望的反应产物。例如，在一些实施方案中，反应产物可以与金属(例如，锂金属)反应以产生保护层和/或保护层的组分。保护层可以能够保护电极例如阳极(例如，锂的阳极)免于与也存在于电化学电池中的一种或更多种其他物质(例如存在于电解质中的一种或更多种物质)的有害反应。在一些实施方案中，通过本文描述的反应形成的保护层可以是有利的。通过实例的方式，其可以具有相对低的电阻。作为另一个实例，第一反应性物质可以与金属(例如，锂金属)反应以产生固体电解质层(SEI)和/或SEI的组分。在一些实施方案中，在一个或更多个方面与其他SEI相比，通过本文描述的反应形成的SEI可以是有利的。通过实例的方式，通过本文描述的反应形成的SEI可以是特别稳定的，可以起保护层的作用，和/或可以具有相对低的电阻。
在一些实施方案中，本文描述的电化学电池包括具有一种或更多种有利特性的保护层。在一些实施方案中，保护层可以包括SEI或基本上由SEI组成。SEI可以通过减小直接暴露于电解质的电极的面积和/或通过防止电极与电解质之间的反应速率或减小电极与电解质之间的反应速率来保护电极。在一些实施方案中，保护层包含第一反应性物质和/或其一种或更多种反应产物，以及在一些实施方案中，保护层还包含其他物质。这些其他物质可以包括电极与电解质的一种或更多种组分例如一种或更多种有机溶剂的反应产物。与没有第一反应性物质和/或反应产物的在其他方面等同的SEI相比，本文描述的一些反应产物的存在可以提高SEI的特性。这可以对于包含锂金属和/或过渡金属的电极尤其如此，该电极可以尤其有利地与第一反应性物质和/或第一反应性物质的反应产物相互作用以形成SEI的一部分以及/或者该电极可以与第一反应性物质和/或第一反应性物质的反应产物(例如，第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应的反应产物)反应以形成有利于包含在SEI中的反应产物。虽然本文描述的反应产物在并入SEI中时可以是尤其有利的，但是还应理解，第一反应性物质和/或其反应产物也可以并入或者替代地并入其他类型的保护层(例如，包含一种或更多种颗粒的保护层或者通过气溶胶沉积形成的保护层)中。
一些实施方案涉及出于一个或更多个原因而将通常不被认为是保护层的SEI。例如，一些这样的SEI无法保护电极和/或可以存在于还包括保护层的电化学电池中。然而，这样的SEI可以具有以上关于保护层描述的有利特性中的一者或更多者。在一些实施方案中，电化学电池包括不为保护层的SEI。
如以上所详述的，一些实施方案涉及电化学电池，所述电化学电池包含含有第一反应性物质和与第一反应性物质反应的物质(在本文中称为“第二反应性物质”)的物质。因此，短语“第二反应性物质”应被理解为是指与第一反应性物质反应的所有物质。
第二反应性物质与第一反应性物质的反应可以产生在一个或更多个方面期望的反应产物。例如，在一些实施方案中，第二反应性物质可以与第一反应性物质反应以产生保护层和/或保护层的组分。保护层可以能够保护电极(例如阴极和/或阳极)免于与也存在于电化学电池中的一种或更多种其他物质(例如存在于电解质中的一种或更多种物质)的有害反应。在一些实施方案中，通过本文描述的反应形成的保护层可以是有利的。通过实例的方式，其可以具有相对低的电阻。作为另一个实例，第二反应性物质可以与第一反应性物质反应以产生固体电解质层(SEI)和/或SEI的组分。在一些实施方案中，在一个或更多个方面与其他SEI相比，通过本文描述的反应形成的SEI可以是有利的。通过实例的方式，通过本文描述的反应形成的SEI可以是特别稳定的，可以起保护层的作用，和/或可以具有相对低的电阻。
在一些实施方案中，电化学电池(例如，电解质)和/或溶液(例如，电极被暴露于其中的溶液)包含含不稳定的卤素原子的物质。含不稳定的卤素原子的物质可以为第二反应性物质。可以在含不稳定的卤素原子的物质(例如，第二反应性物质)与第一反应性物质之间发生(例如，在溶液中或在电解质中)的一种类型的反应为亲核取代反应。在该反应中，如以下以反应I所示，第一反应性物质可以取代来自含不稳定的卤素原子的物质的不稳定的卤素原子。
(反应I)
如将在以下进一步详细地描述的，在反应I中，各X可以独立地选自–N＝和Y可以为卤素原子，以及每种情形下R可以各自独立地为任何合适的R基团(例如，本文描述的任何R基团)。应理解，虽然反应I示出了具有5元反应性环的第一反应性物质，但是一些实施方案可以涉及包含其他大小的反应性环的反应性物质。这样的反应性物质也可以经历与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的第二反应性物质)的亲核取代反应。
亲核取代反应例如通过反应I描述的亲核取代反应的进展可以通过NMR测量例如19F NMR测量、31P NMR测量、13C NMR测量和/或1H NMR测量来检测。NMR测量可以对溶液进行和/或对包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)的电化学电池的组件进行。例如，在一些实施方案中，亲核取代反应可以使电解质经历可通过NMR测量检测到的组成上的变化。通过实例的方式，亲核取代反应可以引起第一反应性物质和/或第二反应性物质的浓度降低，并且该降低可以达到可通过NMR测量观测到的程度。在一些实施方案中，将包含叔氮的亲核取代反应的反应产物例如唑衍生物沉积在电极上以形成具有期望特性的保护层或其组分。
第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与金属(例如，锂金属或过渡金属)的反应可以产生在一个或更多个方面期望的反应产物。例如，在一些实施方案中，第一反应性物质可以与金属反应以产生保护层和/或保护层的组分。保护层可以能够保护电极例如阳极(例如，包含锂的阳极)或阴极(例如，包含过渡金属的阴极)免于与也存在于电化学电池中的一种或更多种其他物质(例如存在于电解质中的一种或更多种物质)的有害反应。在一些实施方案中，通过本文描述的反应形成的保护层可以是有利的。通过实例的方式，其可以具有相对低的电阻。作为另一个实例，第一反应性物质可以与金属反应以产生固体电解质层(SEI)和/或SEI的组分。在一些实施方案中，在一个或更多个方面与其他SEI相比，通过本文描述的反应形成的SEI可以是有利的。通过实例的方式，通过本文描述的反应形成的SEI可以是特别稳定的，可以起保护层的作用，和/或可以具有相对低的电阻。
在一些实施方案中，反应产物包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和金属(例如，锂金属，例如包含锂金属的电极(例如，第一电极)的锂金属、或过渡金属，例如包含过渡金属的电极(例如，第二电极)的过渡金属)的反应产物；第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)的反应产物；和/或金属(例如，锂金属例如包含锂金属的电极(例如，第一电极)的锂金属、或过渡金属例如包含过渡金属的电极(例如，第二电极)的过渡金属)、第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)的反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物的反应产物)。
在一些实施方案中，反应产物包含共价键和/或配位键。例如，在一些实施方案中，反应产物包含与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的共价键和/或配位键。
在一些实施方案中，反应产物包含聚合物。在一些实施方案中，反应产物包含聚合物网络(例如，2D聚合物网络和/或3D聚合物网络)。
在一些实施方案中，反应产物中的一者或更多者(例如，全部)在电解质中是不溶的。在一些实施方案中，反应产物中的一者或更多者(例如，全部)在一种或更多种(例如，全部)有机溶剂(例如，本文公开的非水有机溶剂)中是不溶的。
如上所述，本文描述的一些方法涉及形成有利的层(例如，包含第一反应性物质和/或其反应产物的层)和/或第一反应性物质的反应产物。这样的方法可以关联图1A至图1F和图3A至图3E来理解。
本文公开的保护层可以通过任何合适的方法来形成。例如，在一些实施方案中，方法包括使电极(例如，图1B中的电极200)暴露于包含过渡金属(例如，本文公开的过渡金属)的初步溶液，并使电极暴露于包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)的溶液，从而形成设置在电极上的保护层(例如，图1B中的层404)，其中保护层包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质之间的反应产物)。
作为另一个实例，在一些实施方案中，所述方法包括使包含过渡金属的电极(例如，图1B中的电极200)暴露于包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)的溶液，从而形成设置在电极上的保护层(例如，图1B中的层404)，其中保护层包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质之间的反应产物)。
在一些实施方案中，所述溶液(例如，包含过渡金属和/或第一反应性物质的溶液)包含有机溶剂(例如，本文公开的任何有机溶剂)。在一些实施方案中，有机溶剂包括醇(例如，乙醇)和/或腈(例如，苄腈)。
过渡金属(例如，过渡金属盐)可以以任意合适的量存在于包含过渡金属的溶液中。在一些实施方案中，过渡金属(例如，过渡金属盐)以以下量存在于溶液中：大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、或者大于或等于4重量％。在一些实施方案中，过渡金属(例如，过渡金属盐)以以下量存在于溶液中：小于或等于10重量％、小于或等于9重量％、小于或等于8重量％、小于或等于7重量％、小于或等于6重量％、或者小于或等于5重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.5重量％且小于或等于10重量％、或者大于或等于3重量％且小于或等于5重量％)。
在一些实施方案中，包含过渡金属的溶液包含一种或更多种(例如，1种、2种、3种、4种、5种、6种、或其范围例如1种至6种或1种至3种)阴离子。合适的阴离子的非限制性实例可以包括卤化物、三氟甲磺酸根、硫酸根、和/或硝酸根。
第一反应性物质可以以任意合适的量存在于包含第一反应性物质的溶液中。在一些实施方案中，第一反应性物质以以下量存在于溶液中：大于或等于0.1重量％、大于或等于0.2重量％、大于或等于0.3重量％、大于或等于0.4重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于1.5重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、或者大于或等于4重量％。在一些实施方案中，第一反应性物质以以下量存在于溶液中：小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、小于或等于1.5重量％、小于或等于1重量％、或者小于或等于0.5重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1重量％且小于或等于5重量％、或者大于或等于0.5重量％且小于或等于2重量％)。
在一些实施方案中，使电极(例如，第二电极，例如阴极)暴露于溶液(例如，包含过渡金属和/或第一反应性物质的溶液)包括用溶液润湿(例如，部分地润湿)电极、包含在电极内的电活性材料、和/或其表面的任何合适的方式。例如，在一些实施方案中，使电极暴露于溶液包括将电极浸渍在溶液中，将电极浸入在溶液中，和/或用溶液喷涂电极。
在一些实施方案中，使电极暴露于溶液包括用溶液润湿电极、包含在电极内的电活性材料、和/或其表面的大于或等于80％、大于或等于85％、大于或等于90％、大于或等于95％、或者大于或等于99％。在一些实施方案中，使电极暴露于溶液包括用溶液润湿电极、包含在电极内的电活性材料、和/或其表面的小于或等于100％、小于或等于99％、小于或等于95％、或者小于或等于90％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于80％且小于或等于100％、大于或等于90％且小于或等于100％、或者大于或等于95％且小于或等于100％)。在一些实施方案中，使电极暴露于溶液包括用溶液润湿电极、包含在电极内的电活性材料、和/或其表面的100％。
可以使电极(例如，第二电极，例如阴极)暴露于任何合适的温度下的溶液(例如，包含过渡金属和/或第一反应性物质的溶液)。在一些实施方案中，使电极暴露于大于溶液的凝固点的温度下的溶液。在一些实施方案中，使电极暴露于大于或等于0℃、大于或等于10℃、大于或等于20℃、大于或等于室温、或者大于或等于30℃的温度下的溶液。在一些实施方案中，使电极暴露于小于或等于40℃、小于或等于30℃、小于或等于室温、小于或等于20℃、或者小于或等于10℃的温度下的溶液。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0℃且小于或等于40℃)。在一些实施方案中，使电极暴露于室温下的溶液。
可以使电极(例如，第二电极，例如阴极)暴露于溶液(例如，包含过渡金属和/或第一反应性物质的溶液)持续任何合适的持续时间。在一些实施方案中，使电极暴露于溶液持续大于或等于30秒、大于或等于1分钟、大于或等于2分钟、大于或等于3分钟、或者大于或等于4分钟的持续时间。在一些实施方案中，使电极暴露于溶液持续小于或等于5分钟、小于或等于4分钟、小于或等于3分钟、小于或等于2分钟、或者小于或等于1分钟的持续时间。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于30秒且小于或等于5分钟)。
在一些实施方案中，使电极(例如，第二电极，例如阴极)在真空(例如，部分或全部)下暴露于溶液(例如，包含过渡金属和/或第一反应性物质的溶液)。
在一些实施方案中，所述方法包括对电极进行干燥。在一些实施方案中，所述方法包括在使电极暴露于溶液之后(例如，在使电极暴露于包含过渡金属的溶液之后和/或在使电极暴露于包含第一反应性物质的溶液之后)和/或在使电极暴露于溶液之前(例如，在使电极暴露于包含过渡金属的溶液之后并且在使电极暴露于包含第一反应性物质的溶液之前)对电极进行干燥。
可以在任何合适的温度下对电极进行干燥。在一些实施方案中，在以下温度下对电极进行干燥：大于或等于室温、大于或等于30℃、大于或等于40℃、大于或等于50℃、大于或等于60℃、大于或等于70℃、大于或等于80℃、大于或等于90℃、大于或等于100℃、大于或等于110℃、大于或等于120℃、大于或等于130℃、或者大于或等于140℃。在一些实施方案中，在以下温度下对电极进行干燥：小于或等于150℃、小于或等于140℃、小于或等于130℃、小于或等于120℃、小于或等于110℃、小于或等于100℃、小于或等于90℃、小于或等于80℃、小于或等于70℃、小于或等于60℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、或者小于或等于30℃。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于室温且小于或等于150℃、或者大于或等于120℃且小于或等于130℃)。
可以对电极进行干燥持续任何合适的持续时间。在一些实施方案中，对电极进行干燥持续以下的持续时间：大于或等于1秒、大于或等于5秒、大于或等于15秒、大于或等于30秒、大于或等于1分钟、大于或等于15分钟、大于或等于30分钟、大于或等于1小时、大于或等于2小时、大于或等于3小时、大于或等于4小时、大于或等于5小时、大于或等于7小时、大于或等于10小时、大于或等于12小时、大于或等于15小时、大于或等于18小时、或者大于或等于20小时。在一些实施方案中，对电极进行干燥持续以下的持续时间：小于或等于24小时、小于或等于22小时、小于或等于20小时、小于或等于18小时、小于或等于15小时、小于或等于12小时、小于或等于10小时、小于或等于8小时、小于或等于5小时、小于或等于4小时、小于或等于3小时、小于或等于2小时、小于或等于1小时、小于或等于30分钟、小于或等于15分钟、小于或等于1分钟、小于或等于30秒、或者小于或等于15秒。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1秒且小于或等于24小时、或者大于或等于5小时且小于或等于15小时)。
在一些实施方案中，所述方法包括：将电极在第一温度(例如，本文公开的任何温度)下干燥持续第一持续时间(例如，本文公开的任何持续时间)，然后在第二温度(例如，本文公开的任何温度)(例如，大于或等于室温且小于或等于150℃、或者大于或等于120℃且小于或等于130℃)下干燥持续第二持续时间(例如，本文公开的任何持续时间)(例如，大于或等于1秒且小于或等于24小时、或者大于或等于5小时且小于或等于15小时)。在一些实施方案中，第二温度大于第一温度。在一些实施方案中，第二持续时间大于第一持续时间。
在一些实施方案中，所述方法包括在真空(例如，部分或全部)下对电极进行干燥。
在一些实施方案中，包含第一反应性物质的溶液还包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。在一些实施方案中，第一反应性物质与第二反应性物质反应(例如，在溶液中)以形成反应产物。在一些实施方案中，使电极暴露于该溶液引起形成设置在电极上的保护层，其中保护层包含含有第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物(例如，第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物)。在一些实施方案中，使电极暴露于该溶液引起第一反应性物质和/或第二反应性物质与金属(例如，电极的过渡金属或锂金属)的反应以形成反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物)。在一些实施方案中，保护层包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，金属(例如，电极的锂金属和/或过渡金属)和第一反应性物质的反应产物)；第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物；和/或第一反应性物质、第二反应性物质和金属(例如，电极的锂金属和/或过渡金属)的反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物)。
当存在时，第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)可以占溶液的各种合适的量。在一些实施方案中，溶液以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：大于或等于5重量％、大于或等于7重量％、大于或等于10重量％、大于或等于15重量％、大于或等于20重量％、或者大于或等于25重量％。在一些实施方案中，溶液以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：小于或等于50重量％、小于或等于45重量％、小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、或者小于或等于30重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5重量％且小于或等于50重量％、或者大于或等于10重量％且小于或等于30重量％)。
作为另一个实例，在一些实施方案中，图1A包括电极200(例如，第二电极，例如阴极)。电极可以通过任何合适的方法来形成。在一些实施方案中，所述方法包括将电极材料(例如，作为电极的形成部分的本文描述的任何材料，例如电活性材料，例如过渡金属或过渡金属氧化物)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)合并(例如，在溶液例如本文描述的任何溶液中)以形成混合物(例如，浆料)。
在一些实施方案中，该混合物(例如，浆料)包含任何合适的量的第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)。在一些实施方案中，该混合物包含大于或等于0.1重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、大于或等于4重量％、大于或等于5重量％、大于或等于7重量％、大于或等于10重量％、大于或等于12重量％、大于或等于15重量％、或者大于或等于17重量％的第一反应性物质。在一些实施方案中，该混合物包含小于或等于20重量％、小于或等于18重量％、小于或等于15重量％、小于或等于13重量％、小于或等于10重量％、小于或等于8重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、或者小于或等于1重量％的第一反应性物质。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1重量％且小于或等于20重量％、或者大于或等于5重量％且小于或等于15重量％)。
当存在时，第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)可以占混合物(例如，浆料)的各种合适的量。在一些实施方案中，混合物以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：大于或等于5重量％、大于或等于7重量％、大于或等于10重量％、大于或等于15重量％、大于或等于20重量％、或者大于或等于25重量％。在一些实施方案中，混合物以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：小于或等于50重量％、小于或等于45重量％、小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、或者小于或等于30重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5重量％且小于或等于50重量％、或者大于或等于10重量％且小于或等于30重量％)。
在一些实施方案中，混合物(例如，浆料)包含固体组分和液体组分。混合物可以包含任何合适的量的固体组分和/或液体组分。在一些实施方案中，液体组分构成混合物的大于或等于50重量％、大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、或者大于或等于80重量％。在一些实施方案中，液体组分构成混合物的小于或等于90重量％、小于或等于80重量％、小于或等于70重量％、或者小于或等于60重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于50重量％且小于或等于90重量％)。
在一些实施方案中，固体组分构成混合物的小于或等于50重量％、小于或等于40重量％、小于或等于30重量％、或者小于或等于20重量％。在一些实施方案中，固体组分构成混合物的大于或等于10重量％、大于或等于20重量％、大于或等于30重量％、或者大于或等于40重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10重量％且小于或等于50重量％)。
在一些实施方案中，液体组分包含溶剂。在一些实施方案中，溶剂包括有机溶剂(例如，如N-甲基-2-吡咯烷酮或本文描述的任何有机溶剂)。
在一些实施方案中，电极材料、混合物(例如，浆料)、和/或固体组分包含金属和/或金属氧化物(例如，本文描述的任何金属或金属氧化物，其包括锂金属、过渡金属、和/或过渡金属氧化物)。金属和/或金属氧化物可以以任何合适的量存在于电极材料和/或固体组分中。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含大于或等于80重量％、大于或等于85重量％、大于或等于90重量％、大于或等于95重量％、或者大于或等于99重量％的金属和/或金属氧化物。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含小于或等于100重量％、小于或等于99重量％、小于或等于97重量％、小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、或者小于或等于80重量％的金属和/或金属氧化物。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于80重量％且小于或等于100重量％、大于或等于80重量％且小于或等于97重量％、或者大于或等于90重量％且小于或等于99重量％)。
在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含粘结剂。电极材料、混合物、和/或固体组分可以包含任何合适的粘结剂。合适的粘结剂的一个非限制性实例可以为PVDF。电极材料、混合物、和/或固体组分可以包含任何合适的量的粘结剂。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含大于或等于0.1重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于1.5重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、大于或等于4重量％、或者大于或等于5重量％的粘结剂。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含小于或等于10重量％、小于或等于9重量％、小于或等于8重量％、小于或等于7重量％、小于或等于6重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、或者小于或等于1重量％的粘结剂。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1重量％且小于或等于10重量％、或者大于或等于0.5重量％且小于或等于5重量％)。
在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含基于碳的材料(例如，炭黑和/或石墨)。电极材料、混合物、和/或固体组分可以包含任何合适的量的基于碳的材料(例如，炭黑和/或石墨)。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含大于或等于0.1重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于1.5重量％、大于或等于2重量％、大于或等于3重量％、大于或等于4重量％、或者大于或等于5重量％的基于碳的材料(例如，炭黑和/或石墨)。在一些实施方案中，电极材料、混合物、和/或固体组分包含小于或等于10重量％、小于或等于9重量％、小于或等于8重量％、小于或等于7重量％、小于或等于6重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、或者小于或等于1重量％的基于碳的材料(例如，炭黑和/或石墨)。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1重量％且小于或等于10重量％、或者大于或等于0.5重量％且小于或等于5重量％)。
在一些实施方案中，所述方法包括用混合物涂覆金属基底。在一些实施方案中，金属基底包括铝、铝合金、和/或金属化聚合物膜。
金属基底可以具有任何合适的厚度。在一些实施方案中，金属基底的厚度大于或等于4微米、大于或等于5微米、大于或等于7微米、大于或等于10微米、大于或等于12微米、大于或等于15微米、大于或等于20微米、大于或等于25微米、大于或等于30微米、大于或等于35微米、或者大于或等于40微米。在一些实施方案中，金属基底的厚度小于或等于50微米、小于或等于45微米、小于或等于40微米、小于或等于35微米、小于或等于30微米、小于或等于25微米、小于或等于20微米、小于或等于15微米、或者小于或等于10微米。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于4微米且小于或等于50微米、或者大于或等于7微米且小于或等于15微米)。
在一些实施方案中，所述方法包括对混合物进行干燥(例如，在低于电极材料的分解温度的任何温度下)以形成电极(例如，本文描述的任何电极，例如第二电极，例如阴极)。在一些实施方案中，保护层(例如，本文描述的任何保护层)设置在电极上。在一些实施方案中，保护层包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，本文描述的任何反应产物，例如电极材料中的金属(例如，过渡金属)与第一反应性物质之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或金属(例如，过渡金属)、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，金属(例如，过渡金属)与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物))。
在一些实施方案中，所述方法包括将电极(例如，第二电极，例如阴极)(例如，图1C或图1D的电极200)与另一个电极(例如，第一电极，例如阳极)(例如，图1C的电极100和图1D的电极100)组合以形成电化学电池(图1C和图1D的电化学电池1000)。
在一些实施方案中，所述方法包括将电解质(例如，图1E的电解质300和图1F的电解质300)添加至电化学电池中。该电解质可以为任何合适的电解质(例如，本文描述的任何电解质)。在一些实施方案中，如本文更详细地详述的，电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或第二反应性物质可以彼此反应和/或与电极(例如，第一电极中的锂金属和/或第二电极中的过渡金属)反应以形成反应产物(例如，金属(例如，锂金属和/或过渡金属)与第一反应性物质之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或金属(例如，锂金属和/或过渡金属)、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物))。
当存在时，第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)可以占电化学电池(例如，电解质)的各种合适的量。虽然第二反应性物质可以存在于电化学电池的除了电解质之外(除了存在于电解质之外或者代替存在于电解质中)的部分中，但是可以相对于电解质的量方便地描述第二反应性物质的量。因此，以下列出的重量％范围是相对于电解质(包含存在于其中的任何第二反应性物质和其中的任何抗衡离子)的总重量。另外地，应理解，以下列出的范围可以是指以下中的任一者：(1)电化学电池中的特定的第二反应性物质和任何抗衡离子作为整体的总量；(2)电解质(具有另外的量的第二反应性物质或者不具有另外的量的第二反应性物质)中的特定的第二反应性物质和任何抗衡离子的量；(3)电化学电池中的全部第二反应性物质和任何抗衡离子作为整体的量；以及(4)电解质(在电化学电池的其他位置中具有另外的量的第二反应性物质或者不具有另外的量的第二反应性物质)中的全部第二反应性物质和任何抗衡离子的量。
在一些实施方案中，电化学电池以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：大于或等于5重量％、大于或等于7重量％、大于或等于10重量％、大于或等于15重量％、大于或等于20重量％、或者大于或等于25重量％。在一些实施方案中，电化学电池以以下量包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)及其任何抗衡离子：小于或等于50重量％、小于或等于45重量％、小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、或者小于或等于30重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5重量％且小于或等于50重量％、或者大于或等于10重量％且小于或等于30重量％)。
在一些实施方案中，所述方法包括形成设置在第一电极上的保护层，其中保护层包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)的反应产物中的一者或更多者和/或所述第一反应性物质。例如，在图1F中，在一些实施方案中，层406(例如，保护层)设置在电极100上，并且可以包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，锂金属与第一反应性物质之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或锂金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，锂金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物))。
在一些实施方案中，所述方法包括形成设置在第二电极上的保护层，其中保护层包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或其反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或过渡金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物))。在一些实施方案中，设置在第二电极上的保护层可以设置在添加电解质之前设置在所述电极上的保护层上。在一些实施方案中，两个保护层可以相同或者它们可以不同。
在一些实施方案中，电解质在初始使用之前(例如，在初始充电-放电循环之前、或者在第5次、第10次、第15次、或第20次充电-放电循环之前)放置在电化学电池中。例如，在一些实施方案中，电解质在初始使用之前放置在电化学电池中，使得有足够的时间形成反应产物和/或保护层。在一些实施方案中，电解质在初始使用之前(例如，在初始使用之前(例如，在初始充电-放电循环之前、或者在第5次、第10次、第15次、或第20次充电-放电循环之前)的1天至7天)放置在电化学电池中至少24小时、至少36小时、至少48小时、或至少72小时。
应理解，第一反应性物质和/或第二反应性物质的位置可以不限于电解质。在一些实施方案中，电极可以包含孔，以及第一反应性物质和第二反应性物质中的一者或二者可以存在于电极的孔中。在一些实施方案中，电极为第二电极(例如，阴极)。第一反应性物质和第二反应性物质的其他可能的位置包括一个或更多个储存器中和/或电化学电池中(例如，设置在其中的电解质中)的分隔件的孔，第一反应性物质和第二反应性物质可以从所述孔释放到电化学电池中的另外的位置(例如，电解质)中。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或第二反应性物质可以在电化学电池内的多个位置中。
作为另一个实例，在一些实施方案中，所述方法包括将一定体积的电解质放置在电化学电池中。例如，在一些实施方案中，如图3A中所示，所述方法包括将一定体积的电解质300放置在电化学电池1000中。在一些实施方案中，所述一定体积的电解质足以填充第一电极、第二电极、和/或分隔件的孔的大部分(例如，大于或等于90％、大于或等于95％、或者大于或等于99％)或全部(即，100％)。
在一些实施方案中，电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)。例如，在一些实施方案中，所述方法包括将电解质300放置在包括电极100的电化学电池1000中，如图3A中所示，其中电解质300包含第一反应性物质12。在一些这样的实施方案中，第一电极(例如，图3A中的电极100)包含锂金属。
在一些这样的实施方案中，第一反应性物质与锂金属相互作用和/或与锂金属反应。在一些实施方案中，所述方法包括在第一电极上形成保护层。在一些实施方案中，保护层可以包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，锂金属与第一反应性物质之间的反应产物)。例如，在一些实施方案中，所述方法还包括在电极100上形成层404，如图1D中所示，其中层404包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，锂金属(例如，电极100中的锂金属)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)之间的反应产物)。
在一些实施方案中，电解质在初始使用之前(例如，在初始充电-放电循环之前、或者在第5次、第10次、第15次、或第20次充电-放电循环之前)放置在电化学电池中。例如，在一些实施方案中，电解质在初始使用之前放置在电化学电池中，使得有足够的时间形成反应产物和/或层(例如，保护层)。在一些实施方案中，电解质在初始使用之前(例如，在初始使用之前(例如，在初始充电-放电循环之前、或者在第5次、第10次、第15次、或第20次充电-放电循环之前)的1天至7天)放置在电化学电池中至少24小时、至少36小时、至少48小时、或至少72小时。
图3C至图3E示出了可以形成这样的层和/或反应产物的另一个示例性方法。在一些实施方案中，电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。在图3C至图3D中，电化学电池1000的电解质300包含第一反应性物质12(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质22(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。在一些实施方案中，第一反应性物质12与第二反应性物质22反应以形成包含反应产物的设置在电极100(例如，第一电极)上的层404(例如，在图3E中，在一些实施方案中)。在一些实施方案中，反应产物包含第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物。在一些实施方案中，电极100(例如，第一电极)包含锂金属。在一些这样的实施方案中，反应产物包含锂金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，锂金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物)。在一些实施方案中，电化学电池1000还包括电极200(例如，第二电极)。在一些实施方案中，第一电极可以为阳极，以及/或者第二电极可以为阴极。
在一些实施方案中，层(例如，图1B和图3E中示出的层404)为保护层。如上所述，保护层可以为SEI，可以为除了SEI之外的结构、和/或可以包含除了以上详述的物质(例如，第一反应性物质和第二反应性物质)和反应产物之外的组分(例如，可以包含一种或更多种电解质组分与第一电极的反应产物和/或在电池组装之前沉积在第一电极上的陶瓷)。在一些实施方案中，该层为不是保护层的SEI。
还应理解，图1A至图1F和图3A至图3E是示例性的，以及本文未描述的图1A至图1F和图3A至图3E的其他变体也是可能的。例如，一些实施方案涉及包含有利的物质(例如，第一反应性物质)和/或通过除了图3C至图3E中示出的方法之外的方法形成(例如，通过在电化学电池组装之前进行的方法形成)的反应产物的保护层。作为另一个实例，本文描述的一些过程和/或反应(例如第一反应性物质的沉积和/或第一反应性物质的反应(例如，第一反应性物质与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)之间的反应；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应；或金属(例如，锂金属和/或过渡金属)、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应(例如，金属(例如锂金属和/或过渡金属)与第一反应性物质和第二反应性物质之间形成的反应产物之间的反应)))可以引起形成除了层之外的有利结构和/或可以引起形成并入已经存在于电化学电池中的现有结构(例如，SEI、先前形成的保护层、电极、电解质)中的有利反应产物。
本文描述的一些方法涉及将第一反应性物质和/或其反应产物沉积在第二电极上(例如，以形成层)。关联图3C至图3E和图1E可以理解这样的方法。在一些实施方案中，所述方法包括将一定体积的电解质放置在电化学电池中。在一些实施方案中，电解质包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。例如，在一些实施方案中，所述方法包括将电解质300放置在包括电极100(例如，第一电极)和电极200(例如，第二电极)的电化学电池1000中，如图3C中所示，其中电解质300包含第一反应性物质12和/或第二反应性物质22。在一些这样的实施方案中，第二电极(例如，图3C中的电极200(例如，第二电极))包含过渡金属。在一些这样的实施方案中，第一反应性物质与过渡金属反应。在一些实施方案中，所述方法包括在第二电极上形成保护层。在一些实施方案中，保护层可以包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质之间的反应产物)。例如，在一些实施方案中，所述方法还包括在电极200上形成层404，如图1E中所示，其中层404包含过渡金属(例如，电极200中的过渡金属)与第一反应性物质之间的反应产物。在一些实施方案中，所述方法包括在电极200上形成层404，如图1E中所示，其中层404包含第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物。
图1A至图1F和图3A至图3E示出了电化学电池或其组件，所述电化学电池或其组成部分可以包括本文描述的一种或更多种有利的组件和/或在其中可以发生本文描述的一种或更多种有利的方法。应理解，图1A至图1F和图3A至图3E中示出的电化学电池可以任选地包括未示出的一个或更多个组成部分，例如分隔件、一个或更多个集流体、壳体、外部电路、电解质中的物质、保护层、另外的电极等。
在图1B中，在一些实施方案中，层404(例如，保护层)设置在电极200(例如，第二电极或第一电极)上。在一些实施方案中，该层包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如，金属(例如，过渡金属和/或锂金属)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或金属(例如，过渡金属和/或锂金属)、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，过渡金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物))。
作为另一个实例，在图3B中，电化学电池1000包括电极100(例如，第一电极)、电解质300和任选的电极200(例如，第二电极)。在一些实施方案中，电化学电池中的一个或更多个组件包含一种或更多种有利的物质。例如，电化学电池中的一个或更多个组件可以包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。例如，在一些实施方案中，电化学电池包括包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)的电解质。图3A示出了一个这样的电化学电池，其中电化学电池1000包括电极100和电解质300，以及其中电解质300包含第一反应性物质12。作为另一个实例，在一些实施方案中，电化学电池包括包含这些物质中的二者的电解质。图3C示出了一个这样的电化学电池。在图3C中，电化学电池1000包括电极100(例如，第一电极)、电解质300和任选的电极200(例如，第二电极)。图3C中的电解质300还包含第一反应性物质12和第二反应性物质22。如图3C中所示，第一反应性物质可以为含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质(例如，唑盐/酯)和/或第二反应性物质可以为含不稳定的卤素原子的物质。在一些实施方案中，电化学电池中的第一电极(例如，图3A、图3B或图3C的第一电极)包含锂金属。第一电极可以为阳极和/或第二电极可以为阴极。
应理解，虽然图3C示出了第一反应性物质的一个可能的位置(例如，在电解质300内)和第二反应性物质的一个可能的位置(例如，在电解质300内)，但是这些物质的其他位置也是可能的。通过实例的方式，这些物质中的一者或二者可以另外地或替代地存在于电化学电池中的电极(例如，第二电极)中。例如，电极可以包含孔，以及第一反应性物质和第二反应性物质中的一者或二者可以存在于电极的孔中。在一些实施方案中，电极为第二电极(例如，阴极)。第一反应性物质和第二反应性物质的其他可能的位置包括一个或更多个储存器中和/或电化学电池中(例如，设置在其中的电解质中)的分隔件的孔，第一反应性物质和第二反应性物质可以从该孔中释放到电化学电池中的另外的位置(例如，电解质)中。
在一些实施方案中，电化学电池在第一位置中包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)以及在与第一位置不同的位置(例如，第二位置)中包含第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。在一些实施方案中，第一位置没有包含第二反应性物质的物质和/或第二位置没有第一反应性物质。通过实例的方式，电化学电池可以包括包含第一反应性物质的第一储存器(并且任选地，没有第二反应性物质)和包含第二反应性物质的第二储存器(并且任选地，没有第一反应性物质)。
在一些实施方案中，电化学电池的单个组件(例如，电解质)包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)二者。通过实例的方式，以及如图3C中示意性地示出的，电化学电池可以包括包含第一反应性物质和第二反应性物质二者的电解质。第一反应性物质和第二反应性物质的位置的其他组合也是可能的。
在一些实施方案中，电化学电池包括设置在其中的组件(例如，电极例如第一电极或第二电极)上的层(例如，保护层，例如SEI)。例如，在图1B中，层404设置在电极200上。在一些实施方案中，层(例如，保护层)包含第一反应性物质和/或其反应产物(例如本文公开的反应产物)。例如，在一些实施方案中，该层包含第一反应性物质。作为另一个实例，在一些实施方案中，该层包含金属(例如，电极中的锂金属和/或过渡金属)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)之间的反应产物。作为又一个实例，在一些实施方案中，该层包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)之间的反应产物。作为又一个实例，在一些实施方案中，该层包含反应产物(例如，第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物)与金属(例如，电极中的锂金属和/或过渡金属)之间的反应产物。
还应理解，图1A至图1F和图3A至图3E是示例性的，以及本文未描述的图1A至图1F和图3A至图3E的其他变体也是可能的。例如，一些实施方案涉及包含第一反应性物质和/或通过除了图1A至图1F和图3A至图3E中示出的方法之外的方法形成的有利反应产物的保护层。作为另一个实例，本文描述的一些过程和/或反应(例如第一反应性物质的沉积和/或第一反应性物质的反应(例如，第一反应性物质与金属之间的反应；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应；或者金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应))可以引起形成除了层之外的有利结构和/或可以引起形成并入已经存在于电化学电池中的现有结构(例如，SEI、先前形成的保护层、电极、电解质)中的有利反应产物。
当存在时，第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)可以占电化学电池的各种合适的量。虽然第一反应性物质可以存在于电化学电池的除了电解质之外(除了存在于电解质之外或者代替存在于电解质中)的部分中，但是可以相对于电解质的量方便地描述第一反应性物质的量。因此，以下列出的重量％范围是相对于电解质(包含存在于其中的任何第一反应性物质和其中的任何抗衡离子)的总重量。另外地，应理解，以下列出的范围可以是指以下中的任一者：(1)电化学电池中的特定的第一反应性物质和任何抗衡离子作为整体的总量；(2)电解质(具有另外的量的第一反应性物质或者不具有另外的量的第一反应性物质)中的特定的第一反应性物质和任何抗衡离子的量；(3)电化学电池中的全部第一反应性物质和任何抗衡离子作为整体的量；以及(4)电解质(在电化学电池的其他位置中具有另外的量的第一反应性物质或者不具有另外的量的第一反应性物质)中的全部第一反应性物质和任何抗衡离子的量。
在一些实施方案中，相对于电解质的总重量，电化学电池以以下量包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)及其任何抗衡离子：大于或等于0.01重量％、大于或等于0.02重量％、大于或等于0.05重量％、大于或等于0.075重量％、大于或等于0.1重量％、大于或等于0.2重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于0.75重量％、大于或等于1重量％、大于或等于2重量％、或者大于或等于3重量％。在一些实施方案中，相对于电解质的总重量，电化学电池以以下量包含第一反应性物质及其抗衡离子：小于或等于5重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、小于或等于1重量％、小于或等于0.75重量％、小于或等于0.5重量％、小于或等于0.2重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.075重量％、小于或等于0.05重量％、或者小于或等于0.02重量％。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01重量％且小于或等于5重量％、或者大于或等于1重量％且小于或等于3重量％)。其他范围也是可能的。
多种第一反应性物质可以适合于包含在本文描述的电化学电池中。如上所述，第一反应性物质包含共轭的带负电荷的含氮原子的环(即，“反应性环”)。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含多于一个氮原子(例如，大于或等于2个氮原子、或者大于或等于3个氮原子；小于或等于5个氮原子、小于或等于4个氮原子、小于或等于3氮原子、或者小于或等于2个氮原子；其组合也是可能的，例如1至5个氮原子、或者2至3个氮原子)。
在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包括经取代或未经取代的1,2,4-三唑、经取代或未经取代的1,2,3-三唑、经取代或未经取代的1,3,4-三唑、经取代或未经取代的吡唑、经取代或未经取代的咪唑、经取代或未经取代的四唑、经取代或未经取代的苯并咪唑、经取代或未经取代的吲唑、和/或经取代或未经取代的苯并三唑。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包括吡咯盐/酯衍生物、唑盐/酯衍生物、咪唑盐/酯衍生物、吡唑盐/酯衍生物、和/或三唑盐/酯衍生物。
在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环为经取代的(例如，经单取代的或经多取代的)。合适的取代基的实例包括烷基取代基、芳基取代基、烷氧基取代基、芳氧基取代基、硝基取代基、氨基取代基、硫基取代基、氟取代基、氯取代基、溴取代基、碘取代基、和/或磷酸酯取代基、和/或本文公开的任何取代基。
一些第一反应性物质可以具有一个或更多个特别有利的结构特征。在一些实施方案中，可以特别期望的是特别地与含不稳定的卤素原子的物质反应的第一反应性物质。换言之，在一些实施方案中，可以特别期望的是第二反应性物质为含不稳定的卤素原子的物质以及第一反应性物质特别地与这样的物质反应。因此，在一些实施方案中，还可以期望的是第一反应性物质的促进与含不稳定的卤素原子的物质反应的化学特性。这些化学特性可以包括例如在反应性环上在相对高的程度上离域的负电荷。
不希望受到任何特定理论的束缚，吸电子基团可以降低反应性环和/或第一反应性物质的反应性(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)，而给电子基团可以提高反应性环和/或第一反应性物质的反应性(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)。不希望受到任何特定理论的束缚，反应性环上的定域负电荷可以提高反应性环和/或第一反应性物质的反应性(与相对更多的离域负电荷相比)(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)。以下进一步详细地描述了反应性环的可以致使其具有一种或更多种有利的化学特性的结构特征。
如上所述，第一反应性物质带负电荷可以是有益的。在一些实施方案中，第一反应性物质在整体上带电荷。该电荷可以为负电荷；即，第一反应性物质可以为阴离子。在一些实施方案中，第一反应性物质为一价阴离子。当充电时，第一反应性物质可以具有一个或更多个抗衡离子。抗衡离子可以存在于电化学电池中的与第一反应性物质相同的位置(例如电解质和/或第二电极)中。以下将提供关于合适的抗衡离子的进一步的细节。
在一些实施方案中，在第一反应性物质上存在某些官能团(例如，吸电子基团，例如强吸电子基团)是不利的。因此，在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环中不存在这样的不利的官能团(例如，吸电子基团，例如强吸电子基团)。
在另一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环以有限的量包含可能是不利的一个或更多个官能团。通过实例的方式，一些第一反应性物质和/或反应性环在全部位置中和/或在一些位置中包含相对少数目的吸电子基团。例如，第一反应性物质和/或反应性环可以包含至多一个吸电子基团。在另一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含多于一个吸电子基团，但是仍然包含相对少的吸电子基团。例如，第一反应性物质和/或反应性环可以包含至多两个或至多三个吸电子基团。不希望受到任何特定理论的束缚，认为吸电子基团可以降低反应性环的反应性(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)。例如，认为吸电子基团可以使得其不太可能例如攻击含不稳定的卤素原子的物质的连接有不稳定的卤素原子的相对电正性部分。反应性的这种降低可能不期望地导致一种或更多种反应产物(例如，金属(例如，锂金属或过渡金属)与第一反应性物质之间的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质之间的反应产物；和/或金属、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物之间的反应产物))的形成更缓慢地发生或并非所有都发生。
吸电子基团通常被分类为强吸电子基团、中等吸电子基团和弱吸电子基团，以下提供了其实例。认为强吸电子基团比中等吸电子基团提供更大的程度的上述不期望的效果，以及认为中等吸电子基团比弱吸电子基团提供更大的程度的上述不期望的效果。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含一个或更多个中等吸电子基团和/或弱吸电子基团，但不包含强吸电子基团，或者包含一个或更多个弱吸电子基团，但不包含中等吸电子基团或强吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环不包含弱吸电子基团、中等吸电子基团或强吸电子基团(即，第一反应性物质和/或反应性环不包含吸电子基团)。
在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环可以包含至多一个、至多两个、或至多三个强吸电子基团。第一反应性物质和/或反应性环可以包含至多一个、至多两个、或至多三个中等吸电子基团。第一反应性物质和/或反应性环可以包含至多一个、至多两个、或至多三个弱吸电子基团。以上的合适的组合也是可能的(例如，第一反应性物质和/或反应性环可以包含一个至三个吸电子基团、一个至三个强吸电子基团、一个至三个中等吸电子基团、或一个至三个弱吸电子基团)。
强吸电子基团的非限制性实例包括三氟甲磺酰基、三卤化合物基、氰基、磺酸酯基、硝基、铵基和季胺基。中等吸电子基团的非限制性实例包括醛基、酮基、羧酸基、酰氯基、酯基、和酰胺基。弱吸电子基团的非限制性实例包括卤化物基、磷酸酯基、硫氰酸酯基、异氰酸酯基、异硫氰酸酯基、和硫代氨基甲酸酯基。
在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含一个或更多个可以是有利的官能团。第一反应性物质和/或反应性环与其他第一反应性物质相比和/或与存在于第一反应性物质和/或反应性环中的其他类型的官能团(例如，不是有利的官能团和/或是不利的官能团)的数目相比可以以相对更高的量包含这些官能团。通过实例的方式，一些第一反应性物质和/或反应性环在全部位置中和/或在一些位置中包含相对大数目的给电子基团。例如，第一反应性物质和/或反应性环可以包含一个或更多个给电子基团。在一些实施方案中，含氮原子的第一反应性物质和/或反应性环包含至少两个、至少三个、或更多个给电子基团。在另一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环没有给电子基团。
不希望受到任何特定理论的束缚，认为给电子基团可以提高反应性环的反应性(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)。认为这出于与以上关于吸电子基团描述的类似原因而发生，即，认为给电子基团增加了反应性环上的电荷(与没有吸电子基团的反应性环相比，所有其他因素都相同)。反应性环上增加的电荷可以使其更有可能反应(例如，在亲核取代反应中，在与第二反应性物质的反应中，和/或在与金属(例如，锂金属和/或过渡金属)的反应中)。例如，当第二反应性物质为含不稳定的卤素原子的物质时，反应性环上增加的电荷可以使其攻击含不稳定的卤素原子的物质的连接有不稳定的卤素原子的相对电正性部分。这可以有利地使反应I中示出的期望的反应产物的形成更快速地发生。
在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含一个或更多个给电子基团和吸电子基团(例如，至多一个吸电子基团)。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含相同数目的给电子基团和吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含比吸电子基团更多的给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环上的给电子基团的总强度高于第一反应性物质和/或反应性环上的吸电子基团的总强度(例如，第一反应性物质和/或反应性环具有强给电子基团和弱吸电子基团的情况)。不希望受到任何特定理论的束缚，认为一个或更多个给电子基团的存在可以抵消上述吸电子基团的负效应。
给电子基团通常被分类为强给电子基团、中等给电子基团和弱给电子基团。认为强给电子基团比中等给电子基团提供更大的程度的上述期望的效果，以及认为中等给电子基团比弱给电子基团提供更大的程度的上述期望的效果。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环包含一个或更多个强给电子基团，但不包含中等给电子基团或弱给电子基团，或者包含一个或更多个强给电子基团和/或中等给电子基团，但不包含弱给电子基团。第一反应性物质和/或反应性环可以包含至少一个、至少两个、或至少三个强给电子基团。第一反应性物质和/或反应性环可以包含至少一个、至少两个、或至少三个中等给电子基团。第一反应性物质和/或反应性环可以包含至少一个、至少两个、或至少三个弱给电子基团。以上的合适的组合也是可能的(例如，第一反应性物质和/或反应性环可以包含一个至三个给电子基团、一个至三个强给电子基团、一个至三个中等给电子基团、或一个至三个弱给电子基团)。在一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环不具有强给电子基团，不具有中等给电子基团，和/或不具有弱给电子基团。
强给电子基团的非限制性实例包括氧化物基、烃硫基、叔胺基、仲胺基、伯胺基、醚基、硫醚基、醇基、硫醇基、和一些烷氧基。中等给电子基团的非限制性实例包括酰胺基、硫代酰胺基、酯基、硫代酯(thioate)基、二硫代酯(dithioate)基、硫代酸酯基、和一些烷氧基。弱给电子基团的非限制实例包括脂族基团(例如，烷基)、芳族基团(例如，苯基)、杂芳族基、和乙烯基。
在一些实施方案中，第一反应性物质可以具有显示有利的反应性(例如，与金属例如锂金属或过渡金属的反应性，和/或与第二反应性物质例如含不稳定的卤素原子的物质的反应性)的水平的一种或更多种化学特性。这些化学特性可以包括例如在一些化学环境中缺少稳定性，这可以表示第一反应性物质的一般反应性。通过实例的方式，在一些实施方案中，第一反应性物质在标准压力和温度条件下在水中是不稳定的。
第一反应性物质可以包含多种合适数目的环。这样的物质可以是单环的或者可以是多环的。在其中第一反应性物质是单环的一些实施方案中，第一反应性物质和/或反应性环为5元环、6元环、9元环、12元环、或16元环。当第一反应性物质是多环的时，其可以是双环的、三环的，或者可以包含四个或更多个环。存在于多环的第一反应性物质中的各环可以为多种大小。例如，多环的第一反应性物质可以包含5元环、6元环、9元环、12元环、16元环、和/或其组合。在一些实施方案中，多环的第一反应性物质包含5元环和6元环二者。在一些实施方案中，多环的第一反应性物质(例如，除5元环之外)包含两个6元环。
在一些实施方案中，第一反应性物质可以具有如下所示的结构：
在式I的一些实施方案中：每种情形下X可以独立地选自–N＝和其中每种情形下R可以独立地选自氢、任选地经取代的烷基、烷氧基、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或者腈，或者任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
在式I的一些实施方案中：每种情形下X可以独立地选自–N＝和其中每种情形下R可以独立地选自氢、任选地经取代的烷基、烷氧基、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物，或者任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式I中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者没有R为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式I中的结构，以及至少一个R(或者至少两个R、至少三个R、或四个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式I中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和至少一个R为给电子基团。具有式I中示出的结构的分子可以在本文其他地方称为“唑盐/酯”。
在一些实施方案中，X不为–N＝并且四个X为–CR＝。在一些实施方案中，一个X为–N＝并且三个X为–CR＝。在一些实施方案中，两个X为–N＝并且两个X为–CR＝。在一些实施方案中，三个X为–N＝并且一个X为–CR＝。
在一些实施方案中，两个R没有相连接以形成环。在一些实施方案中，两个R相连接以形成环(例如，第一芳族环)。在一些实施方案中，第一芳族环包含至少一个氮原子。在一些实施方案中，两个R相连接以形成第一环(例如，第一芳族环)以及两个R相连接以形成第二环(例如，第二芳族环)。在一些这样的实施方案中，第一芳族环和第二芳族环中的至少一者包含至少一个氮原子。
在式I中，负电荷示出为在式I的五元环上离域。对于一些第一反应性物质例如一些唑盐/酯，式I可以适当地示出电荷的分布。对于其他物质，其中负电荷定域至分子的一个或更多个原子或区域的代表更加代表了分子中的实际电荷分布。以下式IA示出了式I中示出的分子的一个这样的代表。
应理解，第一反应性物质可以具有多种负电荷分布，包括像式I中示出的分布的分布、像式IA中示出的分布的分布、以及除了式I和式IA中示出的那些之外的分布。还应理解，分子的化学结构中的电荷分布的描绘不是限制性的，以及参照本文示出的式应理解成是指式中示出的原子的排列，但不一定是指式中示出的电荷分布。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式I中的结构以及至少两个X为以及至少两个R相连接以形成环。换言之，连接至反应性环的两个基团(例如，在其中的双键的1位、2位中)可以与形成反应性环的一个或更多个原子一起形成与反应性环稠合的第一另外的环。与反应性环稠合的该第一另外的环可以是经取代或未经取代的、不饱和的或饱和的、以及杂环的或同素环的。在一些实施方案中，第一另外的稠环为5元环或6元环。一个或更多个另外的环可以任选地与第一稠环和/或反应性环稠合。这些另外的环可以各自独立地为经取代或未经取代的、不饱和的或饱和的、杂环的或同素环的，并且可以具有多种合适的环大小(例如，5元环或6元环)。这样的结构的一个实例示意性地示于式IB中。
在一些实施方案中，第一反应性物质包含不直接彼此稠合的两个另外的稠环(除了所述反应性环之外)。例如，反应性环的两个双键的1位、2位中连接的两组基团可以各自形成单独的环，其每一者包含双键中的一者。这些另外的环中的每一者可以独立地为经取代或未经取代的、不饱和的或饱和的、杂环的或同素环的，并且可以具有多种合适的环大小(例如，5元环或6元环)。这样的结构的一个实例示意性地示于式IC中。
在另一些实施方案中，少于两个的X为和/或两个R没有相连接以形成环。
在一些实施方案中，电化学电池包含具有如式I中的结构的第一反应性物质，对于该如式I中的结构，每种情形下X独立地为该结构在下面以式II示出。
在式II的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或者腈，或者任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
在式II的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物，或者任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式II中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者R不为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式II中的结构，以及至少一个R(或者至少两个R、至少三个R、或四个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式I中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和至少一个R为给电子基团。具有式II中示出的结构的分子可以在本文其他地方称为“吡咯盐/酯”。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式II中的结构以及两个R相连接在一起以形成环。数个这样的第一反应性物质在下面示出：
对于以上示出的结构中的每一者，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或者腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
对于以上示出的结构中的每一者，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，电化学电池包含具有如式I中的结构的第一反应性物质，对于该如式I中的结构，三个X为以及一个X为–N＝。具有该特征的一个可能的结构在下面以式III示出。
在式III中，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或者腈，或者至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在式III的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物，或者至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式III中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者R不为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式III中的结构，以及至少一个R(或者至少两个R、或三个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式III中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和至少一个R为给电子基团。具有式III中示出的结构的分子可以在本文其他地方称为“咪唑盐/酯”。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式III中的结构以及两个R相连接在一起以形成环。两种这样的第一反应性物质在下面示出：
对于以上示出的结构中的每一者，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
对于以上示出的结构中的每一者，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
具有三个X为以及一个X为–N＝的如式I中的结构的第一反应性物质的另一个可能的结构在下面以式IV示出。
在式IV中的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在式IV的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式IV中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者R不为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式IV中的结构，以及至少一个R(或至少两个R、或三个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式IV中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和至少一个R为给电子基团。具有式IV中示出的结构的分子可以在本文其他地方称为“吡唑盐/酯”。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式IV中的结构以及两个R相连接在一起以形成环。一种这样的第一反应性物质在下面示出：
对于以上示出的结构，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
对于以上示出的各结构，在一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，电化学电池包含具有两个X为以及两个X为–N＝的如式I中的结构的第一反应性物质。具有该特征的分子可以在本文其他地方称为“三唑盐/酯”。具有该特征的一个可能的结构在下面以式V示出。
在式V中的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在式V的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式V中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者R不为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式V中的结构，以及至少一个R(或者两个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式V中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和一个R为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式V中的结构以及两个R相连接在一起以形成环。
具有两个X为以及两个X为–N＝的如式I中的结构的第一反应性物质的另一个可能的结构在下面以式VI示出。
在式VI中的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在式VI的一些实施方案中，每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物。在一些实施方案中，至少两个R相连接以形成除了以上结构中示出的环之外的另外的环。
在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式VI中的结构，以及至多一个R为吸电子基团或者R不为吸电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式VI中的结构，以及至少一个R(或者两个R)为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式VI中的结构，并且包含一个R为吸电子基团和一个R为给电子基团。在一些实施方案中，第一反应性物质具有如式VI中的结构以及两个R相连接在一起以形成环。
在一些实施方案中，电化学电池包含具有一个X为以及三个X为–N＝的如式I中的结构的第一反应性物质。具有该特征的分子可以在本文其他地方称为“四唑盐/酯”。该结构在下面以式VII示出。
在式VI中的一些实施方案中，R选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈。R可以为吸电子基团、给电子基团、或者不为吸电子基团也不为给电子基团。
在式VI的一些实施方案中，R选自氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或任选地经取代的硫化物。
在一些实施方案中，式I的第一反应性物质具有以下结构中的一者：
对于以上示出的结构，在一些实施方案中，每种情形下R独立地为氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈；以及任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
对于以上示出的结构，在一些实施方案中，每种情形下R独立地为氢、任选地经取代的烷基、醇、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或任选地经取代的硫化物；以及任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
可以用第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)提供(例如，在溶液和/或电解质中)广泛多种的合适的抗衡离子和/或第一反应性物质可以包含抗衡离子。在一些实施方案中，抗衡离子为一价抗衡离子。例如，在一些实施方案中，抗衡离子包含一个或更多个碱金属阳离子，例如Li+、Na+、K+、Rb+、Fr+、和/或Cs+。在一些实施方案中，抗衡离子为多价抗衡离子例如二价抗衡离子、三价抗衡离子、或更高价态的抗衡离子。
如上所述，在一些实施方案中，电化学电池和/或溶液可以包含第二反应性物质。第二反应性物质可以为含不稳定的卤素原子的物质。在一些实施方案中，不稳定的卤素原子为不稳定的氯原子、不稳定的溴原子、不稳定的碘原子、和/或不稳定的氟原子。含不稳定的氯原子的物质的一个实例为氯代碳酸亚乙酯。
在一些实施方案中，不稳定的卤素原子为不稳定的氟原子。合适的含不稳定的氟原子的物质的非限制性实例包括PF6 -、氟化的碳酸亚乙酯(例如，氟代(碳酸亚乙酯)、二氟代(碳酸亚乙酯))、氟化的(草酸)硼酸根阴离子(例如，二氟代(草酸)硼酸根阴离子)、以及氟化的(磺酰基)酰亚胺阴离子(例如，双氟代磺酰亚胺阴离子、双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子)。
应理解，一些电化学电池和/或溶液可以包含两种或更多种含不稳定的卤素原子的物质。在一些这样的实施方案中，不稳定的卤素原子可以不同(例如，含不稳定的氟原子的物质和含不稳定的氯原子的物质)或相同(例如，两个或更多个不同的含不稳定的氟原子的物质)。例如，电化学电池和/或溶液可以包含PF6 -和氟代(碳酸亚乙酯)二者。
当电化学电池和/或溶液包含含为离子的不稳定的卤素原子的物质时，电化学电池和/或溶液还可以包含一个或更多个抗衡离子。在一些实施方案中，抗衡离子为一价抗衡离子。例如，在一些实施方案中，抗衡离子包含一种或更多种碱金属阳离子，例如Li+、Na+、K+、Rb+、Fr+、和/或Cs+。在一些实施方案中，抗衡离子为多价抗衡离子，例如二价抗衡离子、三价抗衡离子、或更高价态的抗衡离子。
可以存在任意合适的量的第二反应性物质(例如，本文其他地方公开的任意量)。
如上所述，在一些实施方案中，本文描述的电化学电池包括层(例如，设置在电极(例如阴极和/或阳极)上的保护层)。同样如上所述，保护层可以包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或其反应产物，例如第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的反应产物，第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)的反应产物，和/或金属(例如，过渡金属和/或锂金属)、第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物(例如，金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物)。在一些实施方案中，保护层还包含诸如在通常的SEI中存在的物质的物质(例如，电活性材料与一种或更多种电解质组分的反应产物)。
在一些实施方案中，层(例如，保护层)包含各种元素。在一些实施方案中，这些元素的识别和/或这些元素的量可以使用能量色散X射线谱(EDS)来确定。在一些实施方案中，层(例如，保护层)包含氮。
在其中层包含氮的实施方案中，层可以包含任意适合量的氮。例如，在一些实施方案中，层(例如，阴极和/或阳极上的层)包含大于或等于0.1原子％、大于或等于0.25原子％、大于或等于0.5原子％、大于或等于0.75原子％、大于或等于1原子％、大于或等于1.25原子％、大于或等于1.5原子％、大于或等于1.75原子％、大于或等于2原子％、大于或等于2.25原子％、大于或等于2.5原子％、大于或等于2.75原子％、大于或等于3原子％、大于或等于4原子％、或者大于或等于5原子％的氮。在一些实施方案中，层(例如，阴极和/或阳极上的层)包含小于或等于10原子％、小于或等于9原子％、小于或等于8原子％、小于或等于7原子％、小于或等于6原子％、小于或等于5原子％、小于或等于4.5原子％、小于或等于4原子％、小于或等于3.5原子％、小于或等于3原子％、小于或等于2.5原子％、小于或等于2原子％、或者小于或等于1.5原子％的氮。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1原子％且小于或等于10原子％、大于或等于0.1原子％且小于或等于5原子％、大于或等于0.5原子％且小于或等于3原子％、大于或等于1原子％且小于或等于5原子％、或者大于或等于0.5原子％且小于或等于2原子％)。不希望受到理论的束缚，认为层中存在氮证明了层包含第一反应性物质和/或其反应产物。
在一些实施方案中，层(例如，阴极和/或阳极上的层)比其中电解质不包含第一反应性物质而所有其他因素都相同的电化学电池中的电极的层和/或表面包含更多的元素(例如，氮)。例如，在一些实施方案中，层(例如，阴极和/或阳极上的层)比其中电解质不包含第一反应性物质而所有其他因素都相同的电化学电池中的电极的层和/或表面包含多大于或等于0.1原子％、大于或等于0.25原子％、大于或等于0.5原子％、大于或等于0.75原子％、大于或等于1原子％、大于或等于1.25原子％、大于或等于1.5原子％、大于或等于1.75原子％、大于或等于2原子％、大于或等于2.25原子％、大于或等于2.5原子％、大于或等于2.75原子％、大于或等于3原子％、大于或等于4原子％、或者大于或等于5原子％的氮。在一些实施方案中，层(例如，阴极和/或阳极上的层)比其中电解质不包含第一反应性物质而所有其他因素都相同的电化学电池中的电极的层和/或表面包含多小于或等于10原子％、小于或等于9原子％、小于或等于8原子％、小于或等于7原子％、小于或等于6原子％、小于或等于5原子％、小于或等于4.5原子％、小于或等于4原子％、小于或等于3.5原子％、小于或等于3原子％、小于或等于2.5原子％、小于或等于2原子％、或者小于或等于1.5原子％的氮。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1原子％且小于或等于10原子％、大于或等于0.1原子％且小于或等于5原子％、大于或等于0.5原子％且小于或等于3原子％、或者大于或等于0.5原子％且小于或等于2原子％)，与其中电解质不包含第一反应性物质而所有其他因素都相同的电化学电池中的电极的层和/或表面相比。例如，如果本文描述的阴极上的层包含3原子％的氮以及其中电解质不包含第一反应性物质而所有其他因素都相同的电化学电池中的阴极的表面包含1原子％的氮，则前者具有比后者多2原子％的氮。
在一些实施方案中，保护层包含多个颗粒(例如，通过气溶胶沉积而沉积的多个颗粒)。多个颗粒可以至少部分地融合在一起和/或可以具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构。合适的融合颗粒类型和合适的气溶胶沉积方法的非限制性实例包括美国专利公开第2016/0344067号、美国专利公开第9,825,328号、美国专利公开第2017/0338475号、和美国专利公开第2018/0351148号中描述的那些，其中的每一者通过引用整体并入本文并用于所有目的。至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒可以延伸遍及保护层或者延伸贯穿仅其一部分。当至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒延伸遍及保护层时，保护层可以为相对均匀的或者可以在空间上变化(例如，保护层的一种或更多种其他组分例如第一反应性物质的反应产物中的一者或更多者和/或所述第一反应性物质可以不会完全延伸通过其)。当至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒仅延伸贯穿保护层的一部分时，它们可以形成与保护层的一个或更多个其他的子层分开的独立子层或者可以与一个或更多个其他的子层互穿。其他形态也是可能的。
例如，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒可以与本文其他地方描述的组分中的一者或更多者(例如，第一反应性物质和/或其反应产物，例如该物质与金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的反应产物；该物质与第二反应性物质的反应产物和/或其与金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的另外的反应产物)一起形成相对均匀的层。在一些这样的实施方案中，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒可以与该组分一起形成互穿的结构。该互穿的结构可以为三维结构和/或可以横跨保护层的厚度。
在一些实施方案中，保护层包括第一子层和第二子层，所述第一子层包含至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒。第二子层可以具有本文其他地方关于作为整体的保护层描述的一个或更多个特征。通过实例的方式，第二子层可以包含第一反应性物质和/或本文其他地方描述的反应产物中的一者或更多者(例如，第一反应性物质与金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的反应产物；该物质与第二反应性物质的反应产物和/或其与金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的另外的反应产物)。当保护层包括两个或更多个子层时，子层可以以各种适合的方式相对于彼此定位。例如，保护层可以包括与电极(例如，包含锂金属的第一电极或包含过渡金属的第二电极)直接相邻的包含多个颗粒的子层，所述多个颗粒至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构，或者保护层可以包括通过一个或更多个中间层(例如，具有本文其他地方关于作为整体的保护层描述的一个或更多个特征的中间层)与电极分开的包含多个颗粒的子层，所述多个颗粒至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构。在一些实施方案中，包含至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒的子层为多层保护层的最外子层。
至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒可以通过各种合适的方法来形成。一种这样的方法包括通过气溶胶沉积将颗粒沉积在电极(和/或设置在其上的任意层)上。保护层的其他组分可以在使电极暴露于相关物质(例如，暴露于含有共轭的带负电荷的环的物质，暴露于含不稳定的卤素原子的物质)时形成，例如在电化学电池组装和/或循环期间形成。其他方法也是可能的。
如上所述，保护层可以包括包含至少部分地融合在一起的多个颗粒的层和/或子层。术语“融合(fuse)”和“融合的”(和“融合(fusion)”)给出其在本领域中的典型含义并且通常是指将两个或更多个物体(例如，颗粒)物理结合成使得它们形成单个物体。例如，在一些情况下，在融合之前单个颗粒所占的体积(例如，颗粒的外表面内的整个体积)基本上等于两个融合的颗粒所占的体积的一半。本领域技术人员将理解，术语“融合(fuse)”、“融合的”和“融合(fusion)”不是指在一个或更多个表面处简单地彼此接触的颗粒，而是指其中各单个颗粒的原始表面的至少一部分不再能与另外的颗粒分辨出的颗粒。在一些实施方案中，融合颗粒(例如，具有在融合之前的颗粒的等同体积的融合颗粒)的最小截面尺寸可以小于1微米。例如，融合之后的多个颗粒的平均最小截面尺寸可以小于1微米、小于0.75微米、小于0.5微米、小于0.2微米、或小于0.1微米。在一些实施方案中，融合之后的多个颗粒的平均最小截面尺寸大于或等于0.05微米、大于或等于0.1微米、大于或等于0.2微米、大于或等于0.5微米、或者大于或等于0.75微米。上述范围的组合也是可能的(例如，小于1微米且大于或等于0.05微米)。其他范围也是可能的。
在一些情况下，多个颗粒被融合成使得多个颗粒的至少一部分形成跨越保护层和/或其子层的连续路径(例如，在保护层的第一表面与保护层的第二相反表面之间；在子层的第一表面与子层的第二相反表面之间)。连续路径可以包括例如从保护层和/或其子层的第一表面至第二相反表面的离子传导路径，其中在该路径中基本上不存在间隙、破裂或间断。虽然跨越层的融合颗粒可以形成连续的路径，但是包含堆积的未融合的颗粒的路径可能具有将不会使得路径连续的在颗粒之间的间隙或间断。这样的间隙和/或间断可以被保护层和/或其子层的另外的组分例如第一反应性物质的反应产物中的一者或更多者(例如，第一反应性物质与金属(例如，过渡金属和/或锂金属)的反应产物；第一反应性物质与第二反应性物质的反应产物；和/或金属(例如，过渡金属和/或锂金属)、第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物)和/或第一反应性物质(完全地或部分地)填充。
在一些实施方案中，至少部分地融合在一起的多个颗粒形成多个这样的跨越保护层和/或其子层的连续路径。在一些实施方案中，保护层和/或其子层的至少10体积％、至少30体积％、至少50体积％、或者至少70体积％包含一个或更多个包含融合颗粒的连续路径(例如，其可以包含离子传导材料)。在一些实施方案中，保护层和/或其子层的小于或等于100体积％、小于或等于90体积％、小于或等于70体积％、小于或等于50体积％、小于或等于30体积％、小于或等于10体积％、或者小于或等于5体积％包含一个或更多个包含融合颗粒的连续路径。上述范围的组合也是可能的(例如，至少10体积％且小于或等于100体积％)。在一些情况下，保护层的子层的100体积％包含一个或更多个包含融合颗粒的连续路径。也就是说，在一些实施方案中，保护层的子层基本上由融合颗粒组成(例如，第二层基本上不包含未融合的颗粒)。在另一些实施方案中，保护层没有未融合的颗粒和/或基本上没有未融合的颗粒。
本领域技术人员将能够选择合适的方法以确定颗粒是否是融合的，包括例如进行共焦拉曼显微术(Confocal Raman Microscopy，CRM)。CRM可以用于确定在保护层和/或其子层内的融合区域的百分比。例如，在一些方面中，在保护层和/或其子层内，与未融合区域(例如，颗粒)相比融合区域可以是更少结晶的(更多非晶的)，并且可以提供与未融合区域的拉曼特征光谱带不同的拉曼特征光谱带。在一些实施方案中，融合区域可以是非晶的并且层内的未融合区域(例如，颗粒)可以是结晶的。结晶区域和非晶区域可以具有在相同/相似波长处的峰，而非晶峰可以比结晶区域的峰更宽/强度更低。在一些情况下，未融合区域可以包括与在形成层之前的本体颗粒的光谱带(本体光谱)基本上相似的光谱带。例如，未融合区域可以包括与在形成层之前的颗粒的光谱带内的峰在相同或相似的波长处并且具有相似的峰下面积(积分信号)的峰。光谱中的未融合区域的例如最大峰(具有最大积分信号的峰)的积分信号(峰下面积)可以例如在对应的本体光谱的最大峰的积分信号值的至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、或者至少97％内。相比之下，融合区域可以包括与在形成层之前的颗粒的光谱带不同的光谱带(例如，峰在相同或相似的波长处但具有与在形成层之前的颗粒的光谱带基本上不同的积分信号/比在形成层之前的颗粒的光谱带更低的积分信号)。光谱中的融合区域的例如最大峰(具有最大积分信号的峰)的积分信号(峰下面积)可以为例如对应的本体光谱的最大峰的积分信号值的小于50％、小于60％、小于70％、小于75％、小于80％、小于85％、小于90％、小于95％、或者小于97％。
在一些实施方案中，可以使用CRM的二维和/或三维映射来确定保护层和/或其子层中的融合区域的百分比(例如，在最小截面区域内的如上所述具有与形成层之前的颗粒的光谱最大峰积分信号不同的光谱最大峰积分信号的区域的百分比)。
如上所述，一些方法涉及通过气溶胶沉积工艺形成保护层和/或保护层的子层的一部分。气溶胶沉积工艺通常包括在表面上以相对高的速度沉积(例如，喷洒)颗粒(例如，无机颗粒、聚合物颗粒)。如本文所述，气溶胶沉积通常引起多个颗粒中的至少一些的碰撞和/或弹性变形。在一些方面中，气溶胶沉积可以在足以引起多个颗粒中的至少一些融合到多个颗粒的至少另一部分的条件下(例如，利用速度)进行。例如，在一些实施方案中，将多个颗粒以相对高的速度沉积在电极(和/或设置在其上的任何子层)，使得多个颗粒的至少一部分融合(例如，形成保护层的一部分和/或子层)。颗粒融合所需的速度可能取决于诸如颗粒的材料组成、颗粒的尺寸、颗粒的杨氏弹性模量、和/或颗粒或形成颗粒的材料的屈服强度的因素。
在一些实施方案中，将多个颗粒以足以引起其中的颗粒中的至少一些融合的速度沉积。然而，应理解，在一些方面中，将颗粒以使得颗粒中的至少一些不融合的速度沉积。在一些方面中，颗粒的速度为至少150m/秒、至少200m/秒、至少300m/秒、至少400m/秒、或至少500m/秒、至少600m/秒、至少800m/秒、至少1000m/秒、或至少1500m/秒。在一些实施方案中，速度小于或等于2000m/秒、小于或等于1500m/秒、小于或等于1000m/秒、小于或等于800m/秒、小于或等于600m/秒、小于或等于500m/秒、小于或等于400m/秒、小于或等于300m/秒、或者小于或等于200m/秒。上述范围的组合也是可能的(例如，至少150m/秒且小于或等于2000m/秒、至少150m/秒且小于或等于600m/秒、至少200m/秒且小于或等于500m/秒、至少200m/秒且小于或等于400m/秒、或者至少500m/秒且小于或等于2000m/秒)。其他速度也是可能的。在其中保护层和/或其子层中包含多于一种颗粒类型的一些实施方案中，可以将各种颗粒类型以上述范围中的一者或更多者内的速度沉积。
在一些实施方案中，将待至少部分地融合的多个颗粒通过包括经由对具有颗粒的载气进行加压来将颗粒喷洒(例如，经由气溶胶沉积)在电极(和/或设置在其上的任何子层)的表面上的方法来沉积。在一些实施方案中，载气的压力为至少5psi、至少10psi、至少20psi、至少50psi、至少90psi、至少100psi、至少150psi、至少200psi、至少250psi、或至少300psi。在一些实施方案中，载气的压力小于或等于350psi、小于或等于300psi、小于或等于250psi、小于或等于200psi、小于或等于150psi、小于或等于100psi、小于或等于90psi、小于或等于50psi、小于或等于20psi、或者小于或等于10psi。上述范围的组合也是可能的(例如，至少5psi且小于或等于350psi)。其他范围也是可能的，并且本领域技术人员将能够基于本说明书的教导来选择载气的压力。例如，在一些实施方案中，载气的压力使得沉积在电活性材料(和/或设置在其上的任何子层)上的颗粒的速度足以使颗粒中的至少一些彼此融合。
在一些方面中，在沉积之前将载气(例如，输送待至少部分地融合的多个颗粒的载气)加热。在一些方面中，载气的温度为至少20℃、至少25℃、至少30℃、至少50℃、至少75℃、至少100℃、至少150℃、至少200℃、至少300℃、或至少400℃。在一些实施方案中，载气的温度小于或等于500℃、小于或等于400℃、小于或等于300℃、小于或等于200℃、小于或等于150℃、小于或等于100℃、小于或等于75℃、小于或等于50℃、小于或等于30℃、或者小于或等于20℃。上述范围的组合也是可能的(例如，至少20℃且小于或等于500℃)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，在真空环境下沉积待至少部分地融合的多个颗粒。例如，可以在容器中将颗粒沉积在电极(和/或设置在其上的任何子层)的表面上，其中对容器施加真空(例如，以除去对颗粒流的气氛阻力从而实现颗粒的高速度，和/或除去污染物)。在一些实施方案中，容器内的真空压力为至少0.5毫托、至少1毫托、至少2毫托、至少5毫托、至少10毫托、至少20毫托、或至少50毫托。在一些实施方案中，容器内的真空压力小于或等于100毫托、小于或等于50毫托、小于或等于20毫托、小于或等于10毫托、小于或等于5毫托、小于或等于2毫托、或者小于或等于1毫托。上述范围的组合也是可能的(例如，至少0.5毫托且小于或等于100毫托)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，可以进行本文描述的用于形成保护层和/或其子层的方法，使得前体材料(例如，颗粒)的本体特性(例如，结晶性、离子传导性)在所得层中得到保持。
在一些实施方案中，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒包含无机材料。例如，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒可以由无机材料形成。在一些实施方案中，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒包含两种或更多种类型的无机材料。无机材料可以包括陶瓷材料(例如，玻璃、玻璃状陶瓷材料)。无机材料可以为结晶的、非晶的、或部分结晶且部分非晶的。
在一些实施方案中，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒包含LixMPySz。对于这样的无机材料，x、y和z可以为整数(例如，小于32的整数)和/或M可以包括Sn、Ge、和/或Si。通过实例的方式，无机材料可以包括Li22SiP2S18、Li24MP2S19(例如，Li24SiP2S19)、LiMP2S12(例如，其中M＝Sn、Ge、Si)、和/或LiSiPS。合适的无机材料的更进一步的实例包括石榴石、硫化物、磷酸盐、钙钛矿、反钙钛矿、其他离子传导无机材料、和/或其混合物。当在保护层和/或其子层中采用LixMPySz颗粒时，它们可以例如通过使用原始组分Li2S、SiS2和P2S5(或替代地Li2S、Si、S和P2S5)来形成。
在一些实施方案中，至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒包含锂、铝、硅、锌、锡、钒、锆、镁、和/或铟、和/或其合金的氧化物、氮化物、和/或氧氮化物。合适的氧化物的非限制性实例包括Li2O、LiO、LiO2、LiRO2，其中R为稀土金属(例如锂镧氧化物)、锂钛氧化物、Al2O3、ZrO2、SiO2、CeO2、和Al2TiO5。可以用于至少部分地融合在一起和/或具有指示通过气溶胶沉积而沉积的颗粒的结构的多个颗粒的合适材料的另外的实例包括锂硝酸盐(例如，LiNO3)、锂硅酸盐、锂硼酸盐(例如双(草酸)硼酸锂、二氟(草酸)硼酸锂)、锂铝酸盐、锂草酸盐、锂磷酸盐(例如，LiPO3、Li3PO4)、锂磷氧氮化物、锂硅硫化物、锂锗硫化物、锂氟化物(例如，LiF、LiBF4、LiAlF4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、Li2SiF6、LiSO3F、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2)、锂硼硫化物、锂铝硫化物、锂磷硫化物、氧硫化物(例如，锂氧硫化物)、和/或其组合。在一些实施方案中，多个颗粒包含Li-Al-Ti-PO4(LATP)。
如上所述，在一些实施方案中，电化学电池包括电解质。同样如上所述，电解质可以包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)和/或第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)。电解质还可以包含另外的组分，例如以下更详细地描述的那些。
在一些实施方案中，电化学电池包括电解质(例如，液体电解质)。在一些实施方案中，电解质(例如，液体电解质)包含溶剂。在一些实施方案中，电解质(例如，液体电解质)为非水电解质。合适的非水电解质可以包括有机电解质例如液体电解质、凝胶聚合物电解质、和固体聚合物电解质。这些电解质可以任选地包含一种或更多种离子电解质盐(例如，以提供或提高离子电导率)。有用的溶剂(例如，非水的液体电解质溶剂)的实例包括但不限于非水有机溶剂例如如N-甲基乙酰胺、乙腈、缩醛、缩酮、酯(例如，碳酸、磺酸、和/或磷酸的酯)、碳酸酯(例如，碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯)、砜、亚硫酸酯、环丁砜、磺酰亚胺(例如，双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐)、醚(例如，脂族醚、无环醚、环醚)、甘醇二甲醚、聚醚、磷酸酯(例如，六氟磷酸酯)、硅氧烷、二氧戊环、N-烷基吡咯烷酮、含硝酸酯的化合物、上述的经取代的形式、及其共混物。可以使用的无环醚的实例包括但不限于二乙醚、二丙醚、二丁醚、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷、1,2-二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、1,2-二甲氧基丙烷、和1,3-二甲氧基丙烷。可以使用的环醚的实例包括但不限于四氢呋喃、四氢吡喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二烷、1,3-二氧戊环、和三烷。可以使用的聚醚的实例包括但不限于二甘醇二甲醚(diethyleneglycol dimethyl ether)(二甘醇二甲醚(diglyme))、三甘醇二甲醚(triethylene glycoldimethyl ether)(三甘醇二甲醚(triglyme))、四甘醇二甲醚(tetraethylene glycoldimethyl ether)(四甘醇二甲醚(tetraglyme))、高级甘醇二甲醚、乙二醇二乙烯基醚、二甘醇二乙烯基醚、三甘醇二乙烯基醚、二丙二醇二甲醚、和丁二醇醚。可以使用的砜的实例包括但不限于环丁砜、3-甲基环丁砜和3-环丁烯砜。上述的氟化衍生物也可以用作液体电解质溶剂。
在一些情况下，还可以使用本文描述的溶剂的混合物。例如，在一些实施方案中，溶剂的混合物选自1,3-二氧戊环和二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊环和二甘醇二甲醚、1,3-二氧戊环和三甘醇二甲醚、以及1,3-二氧戊环和环丁砜。在一些实施方案中，溶剂的混合物包括碳酸二甲酯和碳酸亚乙酯。在一些实施方案中，溶剂的混合物包括碳酸亚乙酯和碳酸乙基甲酯。在一些情况下，混合物中的两种溶剂的重量比的范围可以为约5重量％:95重量％至95重量％:5重量％。例如，在一些实施方案中，电解质包含50重量％:50重量％的碳酸二甲酯:碳酸亚乙酯的混合物。在一些另外的实施方案中，电解质包含30重量％:70重量％的碳酸亚乙酯:碳酸乙基甲酯的混合物。电解质可以包含碳酸二甲酯:碳酸亚乙酯的比率小于或等于50重量％:50重量％且大于或等于30重量％:70重量％的碳酸二甲酯:碳酸亚乙酯的混合物。
在一些实施方案中，电解质可以包含氟代碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的混合物。氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的重量比可以为20重量％:80重量％、或者25重量％:75重量％。氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的重量比可以大于或等于20重量％:80重量％且小于或等于25重量％:75重量％。
合适的凝胶聚合物电解质的非限制性实例包括聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰亚胺、全氟化膜(NAFION树脂)、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、上述的衍生物、上述的共聚物、上述的交联和网络结构、和上述的共混物。
合适的固体聚合物电解质的非限制性实例包括聚醚、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚丙烯腈、聚硅氧烷、上述的衍生物、上述的共聚物、上述的交联和网络结构、和上述的共混物。
在一些实施方案中，电解质呈具有特定厚度的层的形式。电解质层的厚度可以为例如至少1微米、至少5微米、至少10微米、至少15微米、至少20微米、至少25微米、至少30微米、至少40微米、至少50微米、至少70微米、至少100微米、至少200微米、至少500微米、或至少1mm。在一些实施方案中，电解质层的厚度小于或等于1mm、小于或等于500微米、小于或等于200微米、小于或等于100微米、小于或等于70微米、小于或等于50微米、小于或等于40微米、小于或等于30微米、小于或等于20微米、小于或等于10微米、或者小于或等于5微米。其他值也是可能的。上述范围的组合也是可能的。
在一些实施方案中，电解质包含至少一种盐(例如，锂盐)。例如，在一些情况下，该至少一种盐(例如，锂盐)包括LiSCN、LiBr、LiI、LiSO3CH3、LiNO3、LiPF6、LiBF4、LiB(Ph)4、LiClO4、LiAsF6、Li2SiF6、LiSbF6、LiAlCl4、草酰基(硼酸根)(例如，双(草酸)硼酸锂)、二氟代(草酸)硼酸锂、含三(草酸)磷酸根阴离子的盐(例如，三(草酸)磷酸锂)、LiCF3SO3、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiC(CnF2n+1SO2)3(其中n为1至20范围内的整数)、和(CnF2n+1SO2)mXLi(其中n为1至20范围内的整数，当X选自氧或硫时，m为1，当X选自氮或磷时，m为2，以及当X选自碳或硅时m为3)。
当存在时，锂盐可以以各种合适的浓度存在于电解质中。在一些实施方案中，锂盐以大于或等于0.01M、大于或等于0.02M、大于或等于0.05M、大于或等于0.1M、大于或等于0.2M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、大于或等于2M、或者大于或等于5M的浓度存在于电解质中。锂盐可以以小于或等于10M、小于或等于5M、小于或等于2M、小于或等于1M、小于或等于0.5M、小于或等于0.2M、小于或等于0.1M、小于或等于0.05M、或者小于或等于0.02M的浓度存在于电解质中。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01M且小于或等于10M、或者大于或等于0.01M且小于或等于5M)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，电解质可以以有利的量包含LiPF6。在一些实施方案中，电解质以大于或等于0.01M、大于或等于0.02M、大于或等于0.05M、大于或等于0.1M、大于或等于0.2M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、或者大于或等于2M的浓度包含LiPF6。电解质可以以小于或等于5M、小于或等于2M、小于或等于1M、小于或等于0.5M、小于或等于0.2M、小于或等于0.1M、小于或等于0.05M、或者小于或等于0.02M的浓度包含LiPF6。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.01M且小于或等于5M)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，电解质包含具有草酸(硼酸)根的物质(例如，LiBOB、二氟(草酸)硼酸锂)，并且相对于电解质的总重量，电化学电池中的具有(草酸)硼酸根的物质的总重量可以小于或等于30重量％、小于或等于28重量％、小于或等于25重量％、小于或等于22重量％、小于或等于20重量％、小于或等于18重量％、小于或等于15重量％、小于或等于12重量％、小于或等于10重量％、小于或等于8重量％、小于或等于6重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、或者小于或等于1重量％。在一些实施方案中，相对于电解质的总重量，电化学电池中的具有(草酸)硼酸根的物质的总重量大于0.2重量％、大于0.5重量％、大于1重量％、大于2重量％、大于3重量％、大于4重量％、大于6重量％、大于8重量％、大于10重量％、大于15重量％、大于18重量％、大于20重量％、大于22重量％、大于25重量％、或大于28重量％。上述范围的组合也是可能的(例如，大于0.2重量％且小于或等于30重量％、大于0.2重量％且小于或等于20重量％、大于0.5重量％且小于或等于20重量％、大于1重量％且小于或等于8重量％、大于1重量％且小于或等于6重量％、大于4重量％且小于或等于10重量％、大于6重量％且小于或等于15重量％、或者大于8重量％且小于或等于20重量％)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，电解质包含氟代碳酸亚乙酯。在一些实施方案中，相对于电解质的总重量，电解质中的氟代碳酸亚乙酯的总重量可以小于或等于30重量％、小于或等于28重量％、小于或等于25重量％、小于或等于22重量％、小于或等于20重量％、小于或等于18重量％、小于或等于15重量％、小于或等于12重量％、小于或等于10重量％、小于或等于8重量％、小于或等于6重量％、小于或等于5重量％、小于或等于4重量％、小于或等于3重量％、小于或等于2重量％、或者小于或等于1重量％。在一些实施方案中，相对于电解质的总重量，电解质中的氟代碳酸亚乙酯的总重量大于0.2重量％、大于0.5重量％、大于1重量％、大于2重量％、大于3重量％、大于4重量％、大于6重量％、大于8重量％、大于10重量％、大于15重量％、大于18重量％、大于20重量％、大于22重量％、大于25重量％、或者大于28重量％。上述范围的组合也是可能的(例如，小于或等于0.2重量％且大于30重量％、小于或等于15重量％且大于20重量％、或者小于或等于20重量％且大于25重量％)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，在电化学电池的第一次使用或第一次放电之前使用已知量的各种组分来测量一种或更多种电解质组分的重量％。在另一些实施方案中，重量％是在电池的循环寿命期间的某个时间点测量的。在一些这样的实施方案中，可以停止电化学电池的循环，并且可以使用例如气相色谱-质谱法来确定电解质中的相关组分的重量％。也可以使用其他方法例如NMR、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和元素分析。
在一些实施方案中，电解质可以包含一起组合是特别有益的几种物质。例如，在一些实施方案中，电解质包含氟代碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和LiPF6。氟代碳酸亚乙酯与碳酸二甲酯的重量比可以为20重量％:80重量％至25重量％:75重量％，并且电解质中LiPF6的浓度可以为约1M(例如，0.05M至2M)。电解质还可以包含双(草酸)硼酸锂(例如，在电解质中的浓度为0.1重量％至6重量％、0.5重量％至6重量％、或1重量％至6重量％)和/或三(草酸)磷酸锂(例如，在电解质中的浓度为1重量％至6重量％)。
如上所述，在一些实施方案中，电化学电池包括第一电极。第一电极可以为阳极和/或负电极(例如，在放电期间发生氧化并且在充电期间发生还原的电极)。
在一些实施方案中，第一电极包含含有锂(例如，锂金属)的电活性材料。在一些实施方案中，第一电极包含其中锂形成合金的一部分的电活性材料。合适的锂合金可以包括锂与铝、镁、硅(silicium)(硅(silicon))、铟、和/或锡的合金。在一些实施方案中，第一电极包含含有至少50重量％的锂的电活性材料。在一些情况下，电活性材料包含至少75重量％、至少90重量％、至少95重量％、或至少99重量％的锂。
第一电极中的电活性材料可以采取箔(例如，锂箔)、沉积(例如，真空沉积)在导电基底上的锂(例如，沉积在导电基底例如离型的Cu/PVOH基底上的锂)，或者可以具有另外的适合的结构。在一些实施方案中，第一电极中的电活性材料形成一个膜或任选地彼此分开的数个膜。在一些实施方案中，第一电极和/或电活性材料包含锂嵌入化合物(例如，能够在晶格位点和/或间隙位点处可逆地插入锂离子的化合物)，例如锂碳阳极。
在一些实施方案中，可以使第一电极的电活性材料的表面钝化。不希望受到理论的束缚，被钝化的电活性材料表面为已经经历化学反应以形成比存在于电活性材料主体中的材料反应性(例如，与电解质的反应性)更低的层的表面。使电活性材料表面钝化的一种方法是使电活性材料暴露于包含CO2和/或SO2的等离子体以形成CO2诱导层和/或SO2诱导层。一些本发明的方法和制品可以包括通过使电活性材料暴露于CO2和/或SO2来使其钝化、或者具有已经通过暴露于CO2和/或SO2而被钝化的表面的电活性材料。这样的暴露可以在电活性材料上形成多孔钝化层(例如，CO2诱导层和/或SO2诱导层)。
如上所述，在一些实施方案中，本文描述的电化学电池包括第二电极。第二电极可以为阴极和/或正电极(例如，在放电期间发生还原并且在充电期间发生氧化的电极)。
在一些实施方案中，第二电极包含电活性材料。第二电极可以包含含有锂嵌入化合物(例如，能够在晶格位点和/或间隙位点处可逆地插入锂离子的化合物)的电活性材料。在一些情况下，电活性材料包含锂过渡金属含氧化合物(即，锂过渡金属氧化物或锂过渡金属含氧酸盐)。电活性材料可以为层状氧化物(例如，也为锂过渡金属含氧化合物的层状氧化物)。层状氧化物通常是指具有层状结构(例如，彼此堆叠的复数个片或层)的氧化物。合适的层状氧化物(例如，锂过渡金属氧化物)的非限制性实例包括锂镍锰钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、和锂锰氧化物(LiMnO2)。
在一些实施方案中，第二电极包含为锂镍锰钴氧化物(LiNixMnyCozO2，也称为“NMC”或“NCM”，例如NCM622、NCM721、和/或NCM811)的层状氧化物。在一些这样的实施方案中，x、y和z之和为1。例如，合适的NMC化合物的一个非限制性实例为LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2。合适的NMC化合物的其他非限制性实例包括LiNi3/5Mn1/5Co1/5O2和LiNi7/10Mn1/10Co1/5O2。
在一些实施方案中，第二电极包含为锂镍钴铝氧化物(LiNixCoyAlzO2，也称为“NCA”)的层状氧化物。在一些这样的实施方案中，x、y和z之和为1。例如，合适的NCA化合物的一个非限制性实例为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2。
在一些实施方案中，第二电极和/或电活性材料包含过渡金属。在一些实施方案中，过渡金属包括Co、Ni、Mn、Fe、Cr、V、Cu、Zr、Nb、Mo、Ag、和/或镧系元素金属。在一些实施方案中，过渡金属包括过渡金属氧化物(例如，如以上所详述的，锂过渡金属氧化物)。例如，在一些实施方案中，第二电极和/或电活性材料包含过渡金属聚阴离子氧化物(例如，包含过渡金属、氧、和/或具有绝对值大于1的电荷的阴离子的化合物)。合适的过渡金属聚阴离子氧化物的一个非限制性实例为磷酸铁锂(LiFePO4，也称为“LFP”)。合适的过渡金属聚阴离子氧化物的另一个非限制性实例为磷酸铁锰锂(LiMnxFe1-xPO4，也称为“LMFP”)。合适的LMFP化合物的一个非限制性实例为LiMn0.8Fe0.2PO4。
在一些实施方案中，电活性材料包括尖晶石(例如，具有结构AB2O4的化合物，其中A可以为Li、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Ni、Ti或Si，以及B可以为Al、Fe、Cr、Mn、或V)。合适的尖晶石的一个非限制性实例为锂锰氧化物(LiMn2O4，也称为“LMO”)。另一个非限制性实例为锂锰镍氧化物(LiNixM2-xO4，也称为“LMNO”)。合适的LMNO化合物的一个非限制性实例为LiNi0.5Mn1.5O4。在一些情况下，电活性材料包括Li1.14Mn0.42Ni0.25Co0.29O2(“HC-MNC”)、碳酸锂(Li2CO3)、锂碳化物(例如，Li2C2、Li4C、Li6C2、Li8C3、Li6C3、Li4C3、Li4C5)、钒氧化物(例如，V2O5、V2O3、V6O13)、和/或钒磷酸盐(例如，磷酸钒锂，例如Li3V2(PO4)3)、或其任何组合。
在一些实施方案中，第二电极中的电活性材料包括转化化合物(conversioncompound)。例如，电活性材料可以为锂转化材料。已经认识到，包含转化化合物的阴极可以具有相对大的比容量。不希望受到特定理论的束缚，相对大的比容量可以通过利用化合物的所有可能的氧化态经由转化反应来实现，在所述转化反应中每个过渡金属发生大于一个电子转移(例如，与嵌入化合物中0.1个至1个电子转移相比)。合适的转化化合物包括但不限于过渡金属氧化物(例如，Co3O4)、过渡金属氢化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物、和过渡金属氟化物(例如，CuF2、FeF2、FeF3)。过渡金属通常是指其原子具有部分填充的d亚壳层的元素(例如，Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Rf、Db、Sg、Bh、Hs)。
在一些情况下，电活性材料可以包括掺杂有一种或更多种掺杂剂以改变电活性材料的电特性(例如，电导率)的材料。合适的掺杂剂的非限制性实例包括铝、铌、银和锆。
在一些实施方案中，第二电极中的电活性材料可以包含硫。在一些实施方案中，为阴极的电极可以包含电活性含硫材料。如本文所使用的“电活性含硫材料”是指包含呈任何形式的元素硫的电活性材料，其中电化学活性涉及硫原子或部分的氧化或还原。作为一个实例，电活性含硫材料可以包含单质硫(例如，S8)。在一些实施方案中，电活性含硫材料包括单质硫和含硫聚合物的混合物。因此，合适的电活性含硫材料可以包括但不限于单质硫、可以为有机或无机的(例如，碱金属的)硫化物或聚硫化物、以及可以是聚合的或可以不是聚合的含硫原子和碳原子的有机材料。合适的有机材料包括但不限于还包含杂原子、导电聚合物链段、复合材料和导电聚合物的那些。在一些实施方案中，第二电极(例如，阴极)内的电活性含硫材料包含至少40重量％的硫。在一些情况下，电活性含硫材料包含至少50重量％、至少75重量％、或至少90重量％的硫。
含硫聚合物的实例包括以下中描述的那些：Skotheim等的美国专利第5,601,947号和第5,690,702号；Skotheim等的美国专利第5,529,860号和第6,117,590号；2001年3月13日授权的Gorkovenko等的美国专利第6,201,100号以及PCT公开第WO 99/33130号，其通过引用整体并入本文并且用于所有目的。包含多硫键的另一些合适的电活性含硫材料在以下中描述：Skotheim等的美国专利第5,441,831号；Perichaud等的美国专利第4,664,991号；以及Naoi等的美国专利第5,723,230号、第5,783,330号、第5,792,575号和第5,882,819号，其通过引用整体并入本文并且用于所有目的。电活性含硫材料的又一些实例包括如以下中描述的含有二硫基的那些：例如，Armand等的美国专利第4,739,018号；两个都是DeJonghe等的美国专利第4,833,048号和美国专利第4,917,974号；两个都是Visco等的美国专利第5,162,175号和美国专利第5,516,598号；以及Oyama等的美国专利第5,324,599号，其通过引用整体并入本文并且用于所有目的。
在一些实施方案中，第二电极和/或电活性材料包含针对第二电极描述的任意电活性材料的组合(例如，NCM811和NCM721)。
在一些实施方案中，在第二电极上设置有层(例如，保护层例如SEI)。在一些实施方案中，层包含第一反应性物质和/或其反应产物。例如，在一些实施方案中，层包含电活性材料的组分(例如，过渡金属)与第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)之间的反应产物。作为另一个实例，在一些实施方案中，层包含第一反应性物质(即，含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质)与第二反应性物质(例如，含不稳定的卤素原子的物质)之间的反应产物。作为又一个实例，在一些实施方案中，层包含电活性材料的组分(例如，过渡金属和/或锂金属)、第一反应性物质和第二反应性物质之间的反应产物(例如，过渡金属和/或锂金属与第一反应性物质和第二反应性物质的反应产物之间的反应产物)。
如本文所述，在一些实施方案中，电化学电池包括分隔件。在一些实施方案中，分隔件包含聚合物材料(例如，在暴露于电解质时溶胀或不溶胀的聚合物材料)(例如，单层或多层)、玻璃、陶瓷、和/或其组合(例如，陶瓷/聚合物复合材料或经陶瓷涂覆的聚合物)。在一些实施方案中，分隔件位于电解质与电极之间(例如，电解质与第一电极之间、电解质与第二电极之间)和/或两个电极之间(例如，第一电极与第二电极之间)。
分隔件可以被配置成抑制(例如，防止)两个电极之间(例如，第一电极与第二电极之间)的物理接触，这种物理接触可能导致电化学电池的短路。分隔件可以被配置成基本上不导电的，这可以降低电流流过其的趋势并因此降低通过其的短路的可能性。在一些实施方案中，分隔件的全部或一部分或更多部分可以由体积电阻率(bulk electronicresistivity)为至少104欧姆-米、至少105欧姆-米、至少1010欧姆-米、至少1015欧姆-米、或至少1020欧姆-米的材料形成。体积电阻率可以在室温(例如，25℃)下测量。
在一些实施方案中，分隔件可以是离子传导的，而在另一些实施方案中，分隔件是基本上非离子传导的。在一些实施方案中，分隔件的平均离子电导率为至少10-7S/cm、至少10-6S/cm、至少10-5S/cm、至少10-4S/cm、至少10-2S/cm、或至少10-1S/cm。在一些实施方案中，分隔件的平均离子电导率可以小于或等于1S/cm、小于或等于10-1S/cm、小于或等于10-2S/cm、小于或等于10-3S/cm、小于或等于10-4S/cm、小于或等于10-5S/cm、小于或等于10-6S/cm、小于或等于10-7S/cm、或者小于或等于10-8S/cm。上述范围的组合也是可能的(例如，至少10-8S/cm且小于或等于10-1S/cm的平均离子电导率)。离子电导率的其他值也是可能的。
分隔件的平均离子电导率可以通过采用电导测定电桥(即，阻抗测量电路)以测量分隔件在一系列增加的压力下的平均电阻率直至分隔件的平均电阻率随压力增加不变化来确定。该值被认为是分隔件的平均电阻率，并且其倒数被认为是分隔件的平均电导率。电导测定电桥可以在1kHz下运行。可以通过能够向分隔件施加至少3吨/cm2的压力的定位在分隔件的相反侧上的两个铜圆筒以500kg/cm2的增量向分隔件施加压力。平均离子电导率可以在室温(例如，25℃)下测量。
在一些实施方案中，分隔件可以为实心的。分隔件可以为足够多孔的，使得其允许电解质溶剂经由其通过。在一些实施方案中，除了可以经由分隔件的孔通过的溶剂或留在分隔件的孔中的溶剂之外，分隔件基本上不包含溶剂(例如，其可以与在其整个体积中包含溶剂的凝胶不同)。在另一些实施方案中，分隔件可以呈凝胶的形式。
分隔件可以包含各种材料。分隔件可以包含一种或更多种聚合物(例如，分隔件可以为聚合物的，分隔件可以由一种或更多种聚合物形成)，和/或可以包含无机材料(例如，分隔件可以为无机的，分隔件可以由一种或更多种无机材料形成)。
可以用于分隔件的合适的聚合物的实例包括但不限于聚烯烃(例如，聚乙烯、聚(丁烯-1)、聚(正戊烯-2)、聚丙烯、聚四氟乙烯)；聚胺(例如，聚(乙烯亚胺)和聚丙烯亚胺(PPI))；聚酰胺(例如，聚酰胺(尼龙)、聚(ε-己内酰胺)(尼龙6)、聚(己二酰己二胺)(尼龙66))；聚酰亚胺类(例如，聚酰亚胺、聚腈和聚(均苯四酰亚胺-1,4-二苯醚) )；聚醚醚酮(PEEK)；乙烯基聚合物(例如，聚丙烯酰胺、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基氰基丙烯酸酯)、聚(乙基氰基丙烯酸酯)、聚(丁基氰基丙烯酸酯)、聚(异丁基氰基丙烯酸酯)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(2-乙烯基吡啶)、乙烯基聚合物、聚氯三氟乙烯和聚(异己基氰基丙烯酸酯))；聚缩醛；聚酯(例如，聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚羟基丁酸酯)；聚醚(聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(环氧丙烷)(PPO)、聚(四氢呋喃)(PTMO))；亚乙烯基聚合物(例如，聚异丁烯、聚(甲基苯乙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氯乙烯)和聚(偏二氟乙烯))；聚芳酰胺(例如，聚(亚氨基-1,3-亚苯基亚氨基间苯二甲酰基)和聚(亚氨基-1,4-亚苯基亚氨基对苯二甲酰基))；聚杂芳族化合物(例如，聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并二唑(PBO)和聚苯并二噻唑(PBT))；聚杂环化合物(例如，聚吡咯)；聚氨酯；酚聚合物(例如，苯酚-甲醛)；聚炔烃(例如，聚乙炔)；聚二烯(例如，1,2-聚丁二烯、顺式-1,4-聚丁二烯或反式-1,4-聚丁二烯)；聚硅氧烷(例如，聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚(二乙基硅氧烷)(PDES)、聚二苯基硅氧烷(PDPS)和聚甲基苯基硅氧烷(PMPS))；和无机聚合物(例如，聚磷腈、聚膦酸盐、聚硅烷、聚硅氮烷)。在一些实施方案中，聚合物可以选自聚(正戊烯-2)；聚丙烯；聚四氟乙烯；聚酰胺(例如，聚酰胺(尼龙)、聚(ε-己内酰胺)(尼龙6)、聚(己二酰己二胺)(尼龙66))；聚酰亚胺(例如，聚腈和聚(均苯四酰亚胺-1,4-二苯醚) )；聚醚醚酮(PEEK)；及其组合。
合适的无机分隔件材料的非限制性实例包括玻璃纤维。例如，在一些实施方案中，电化学电池包括为玻璃纤维滤纸的分隔件。
当存在时，分隔件可以为多孔的。在一些实施方案中，分隔件的孔尺寸小于或等于5微米、小于或等于3微米、小于或等于1微米、小于或等于500nm、小于或等于300nm、小于或等于100nm、或者小于或等于50nm。在一些实施方案中，分隔件的孔尺寸大于或等于50nm、大于或等于100nm、大于或等于300nm、大于或等于500nm、大于或等于1微米、或者大于或等于3微米。其他值也是可能的。上述范围的组合也是可能的(例如，小于或等于5微米且大于或等于50nm、小于或等于300nm且大于或等于100nm、小于或等于1微米且大于或等于300nm、或者小于或等于5微米且大于或等于500nm)。
在一些实施方案中，分隔件是基本上无孔的。换言之，在一些实施方案中，分隔件可以没有孔，包括最少数量的孔，和/或在其大部分中不包括孔。
在一些实施方案中，本文描述的电化学电池包括至少一个集流体。集流体可以设置在电极(例如，第一电极、第二电极)上，并且可以将电子从电极提供至外部电路(例如，在设置在阳极或负电极上的集流体的情况下)或者可以将电子从外电路供应至电极(例如，在设置在阴极或正电极上的集流体的情况下)。可以用于集流体的合适的材料的非限制性实例包括金属(例如，铜、镍、铝、钝化的金属)、金属化聚合物(例如，金属化PET)、导电聚合物、和包含分散在其中的导电颗粒的聚合物。
集流体可以以各种方式形成。例如，对于所选择的材料，可以通过物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、溅射、刮涂、闪蒸蒸镀或任何其他适当的沉积技术将集流体沉积在电极上。作为另一个实例，在一些实施方案中，集流体与电极分开形成，然后结合至电极(和/或结合至其组件例如层)。然而，应理解，在一些实施方案中，不需要或不存在与电极分开(例如，与第一电极分开、与第二电极分开)的集流体。当电极自身(和/或其中的电活性材料)是导电的时，这可能是适用的。
在一些实施方案中，本文描述的电化学电池的一个或更多个部分(例如，电极、保护层)可以设置在支撑层上或沉积在支撑层上。支撑层可以为支撑电化学电池的有关部分的层和/或可以为将电化学电池的有关部分沉积在其上是有益的层。例如，在一组实施方案中，支撑层可以设置在诸如不被设计成并入最终电化学电池中的载体基底的层上并且可以能够使电化学电池的有关部分与该层分离。当支撑层与载体基底相邻时，支撑层可以在电化学电池形成中的随后步骤期间部分地或完全地与电活性材料或层分层，和/或支撑层可以在电化学电池形成中的随后步骤期间部分地或完全地与载体基底分层。
作为另一个实例，支撑层可以设置在可以并入电化学电池中，但在其上沉积电化学电池的一个或更多个部分(例如，电极、保护层)可能是具有挑战性的层上。例如，支撑层可以设置在分隔件或另外的支撑层(例如，分隔件上的另外的支撑层)上。与分隔件相邻的支撑层可以用于防止将电化学电池的相关部分中的一个或更多个部分沉积在分隔件中存在的任意孔中和/或可以用于防止分隔件与电化学电池的相关部分之间的接触。在一些实施方案中，最初与载体基底或分隔件相邻的支撑层可以并入到最终的电化学电池中。
在一些这样的情况下，例如当将支撑层并入到最终的电化学电池中时，支撑层可以由在电解质中稳定并且基本上不妨碍电极的结构完整性的的材料形成。例如，支撑层可以由聚合物或凝胶电解质(例如，该聚合物或凝胶电解质可以包含锂离子和/或对锂离子是传导的)和/或可以在液体电解质中溶胀以形成聚合物凝胶电解质的聚合物来形成。在某些实施方案中，支撑层自身可以起分隔件的作用。在一些实施方案中，支撑层可以由在存在于其中定位有包括复合保护层的电极的电化学电池中的电解质(例如，非质子电解质)中是可溶的聚合物形成，和/或在暴露于电解质时(例如，在暴露于非质子电解质时)可以溶解。
包括支撑层的用于电化学电池的部分的合适结构的非限制性实例包括以下：任选的载体基底/支撑层/任选的集流体/第一电极/任选的保护层/任选的分隔件以及任选的载体基底/支撑层/任选的分隔件/保护层/电极/任选的集流体。在前句中描述为任选的层可以存在于该结构中或者可以任选地不存在。当不存在时，描述为定位在任选的层的任一侧上的层可以定位成直接彼此相邻或者可以定位在不同层的相反侧上。类似地，应理解，由以上斜杠分开的层可以彼此直接相邻或者可以被一个或更多个中间层分开。
在一些实施方案中，支撑层可以为离型层，例如美国专利公开第2014/272,565号、美国专利公开第2014/272,597号和美国专利公开第2011/068,001号中描述的离型层，其中的每一者通过引用整体并入本文。在一些实施方案中，对于支撑层为包含羟基官能团(例如，包含PVOH和/或EVAL)并且具有上述结构中的一者的离型层可以是优选的。
在一组实施方案中，支撑层(例如，聚合物支撑层、离型层)由聚合物材料形成。适当的聚合物的具体实例包括但不限于聚氧化物、聚(烷基氧化物)/聚环氧烷(例如，聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚环氧丁烷)、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩甲醛、乙酸乙烯酯-乙烯醇共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、和乙烯醇-甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚硅氧烷、和氟化聚合物。聚合物可以呈例如固体聚合物(例如，固体聚合物电解质)、玻璃态聚合物、或聚合物凝胶的形式。
聚合物材料的另外的实例包括聚砜、聚醚砜、聚苯砜(例如，可商购自BASF的S 6010、S 3010和S 2010)、聚醚砜-聚环氧烷共聚物、聚苯砜-聚环氧烷共聚物、聚砜-聚环氧烷共聚物、聚异丁烯(例如，可商购自BASF的B10、B15、B30、B80、B150和B200)、聚异丁烯丁二酸酐(PIBSA)、聚异丁烯-聚环氧烷共聚物、聚酰胺6(例如，可商购自BASF的B33)(例如，将2μm的聚酰胺层挤压在聚烯烃载体上或者在聚烯烃载体基底上溶液浇注PA层)、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮-聚乙烯咪唑共聚物(例如，可商购自BASF的HP56)、聚乙烯吡咯烷酮-聚乙酸乙烯酯共聚物(例如，可商购自BASF的)、顺丁烯二酰亚胺-乙烯基醚共聚物、聚丙烯酰胺、氟化聚丙烯酸酯(任选地包含表面反应性共聚单体)、聚乙烯-聚乙烯醇共聚物(例如可商购自BASF的)、聚乙烯-聚乙酸乙烯酯共聚物、聚乙烯醇和聚乙酸乙烯酯共聚物、聚甲醛(例如，挤出的聚甲醛)、聚乙烯醇缩丁醛(例如，可商购自BASF的)、聚脲(例如，支化的聚脲)、基于丙烯醛衍生物的光聚合的聚合物(CH2＝CR-C(O)R)、聚砜-聚环氧烷共聚物、聚偏二氟乙烯(例如，可商购自BASF的D155)、及其组合。
在一个实施方案中，支撑层包含聚醚砜-聚环氧烷共聚物。在一个特定的实施方案中，聚醚砜-聚环氧烷共聚物为通过包含以下组分的反应混合物(RG)的缩聚而获得的聚芳醚砜-聚环氧烷共聚物(PPC)：(A1)至少一种芳族二卤素化合物、(B1)至少一种芳族二羟基化合物、和(B2)至少一种具有至少两个羟基的聚环氧烷。反应混合物还可以包含(C)至少一种非质子极性溶剂和(D)至少一种金属碳酸盐，其中反应混合物(RG)不包含与水形成共沸物的任何物质。所得共聚物可以为无规共聚物或嵌段共聚物。例如，所得共聚物可以包含A1-B1的嵌段和A1-B2的嵌段。在一些情况下，所述共聚物可以包含A1-B1-A1-B2的嵌段。
聚合物材料的另外的实例包括具有六氟丙烯(HFP)涂层的聚酰亚胺(例如，)(例如，可商购自Dupont)；硅化聚酯膜(例如，Mitsubishi聚酯)、金属化聚酯膜(例如，可商购自Mitsubishi或Sion Power)、聚苯并咪唑(PBI；例如，低分子量PBI-可商购自Celanese)、聚苯并唑(例如，可商购自Foster-Miller，Toyobo)、乙烯-丙烯酸共聚物(例如，可商购自BASF的)、基于丙烯酸酯的聚合物(例如，可商购自BASF的)、(带电的)聚乙烯吡咯烷酮-聚乙烯基咪唑共聚物(例如，可商购自BASF的HP56、)、聚丙烯腈(PAN)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、热塑性聚氨酯(例如，可商购自BASF的1195A10)、聚砜-聚(环氧烷)共聚物、二苯甲酮改性的聚砜(PSU)聚合物、聚乙烯吡咯烷酮-聚乙酸乙烯酯共聚物(例如，可商购自BASF的)、及其组合。
在一些实施方案中，支撑层包含对某些离子(例如，碱金属离子)是传导的但也基本上导电的聚合物。这样的材料的实例包括掺杂有锂盐(例如，LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)3、和LiN(SO2CF3)2)的导电聚合物(也称为电子聚合物或导电聚合物)。导电聚合物的实例包括但不限于聚(乙炔)、聚(吡咯)、聚(噻吩)、聚(苯胺)、聚(芴)、聚萘、聚(对苯硫醚)、和聚(对亚苯基亚乙烯基)。还可以将导电添加剂添加至聚合物中以形成导电聚合物。
在一些实施方案中，支撑层包含对一种或更多种类型的离子是传导的聚合物。在一些情况下，支撑层可以是基本上不导电的。离子传导的物质(其可以为基本上不导电的)的实例包括掺杂有锂盐的不导电的材料(例如，电绝缘材料)。例如，掺杂有锂盐的丙烯酸酯、聚环氧乙烷、有机硅、聚氯乙烯、和其他绝缘聚合物可以为离子传导的(但基本上不导电)。聚合物的另外的实例包括离子传导的聚合物、磺化聚合物、和烃聚合物。合适的离子传导的聚合物可以包括例如已知可用于锂电化学电池用固体聚合物电解质和凝胶聚合物电解质的离子传导的聚合物，例如如聚环氧乙烷。合适的磺化聚合物可以包括例如磺化硅氧烷聚合物、磺化聚苯乙烯-乙烯-丁烯聚合物、和磺化聚苯乙烯聚合物。合适的烃聚合物可以包括例如乙烯-丙烯聚合物、聚苯乙烯聚合物等。
在一些实施方案中，支撑层包含可交联聚合物。可交联聚合物的非限制性实例包括：聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯基吡啶基、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯基乙酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、乙丙橡胶(EPDM)、EPR、氯化聚乙烯(CPE)、乙烯双丙烯酰胺(EBA)、丙烯酸酯(例如，丙烯酸烷基酯、乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯、乙烯丙烯酸乙酯(EEA))、氢化丁腈橡胶(HNBR)、天然橡胶、丁腈橡胶(NBR)、某些氟聚合物、硅橡胶、聚异戊二烯、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、氯磺酰基橡胶、氟化聚(亚芳基醚)(FPAE)、聚醚酮、聚砜、聚醚酰亚胺、双环氧化物、二异氰酸酯、二异硫氰酸酯、甲醛树脂、氨基树脂、聚氨酯、不饱和聚醚、聚乙二醇乙烯基醚、聚乙二醇二乙烯基醚、其共聚物、以及共同受让人Ying等的美国专利第6,183.901号中针对分隔件层用保护涂层描述的那些。
可交联或交联聚合物的另外的实例包括UV/电子束交联的或类似的聚合物(即，包含聚(砜)、聚(醚砜)、和聚(苯基砜)中的一者或更多者的非晶共混物的聚合物)、UV交联的-聚环氧烷共聚物、UV/电子束交联的-丙烯酰胺共混物、交联的聚异丁烯-聚环氧烷共聚物、交联支化的聚酰亚胺(PBI)、交联的顺丁烯二酰亚胺-Jeffamine聚合物(MSI凝胶)、交联的丙烯酰胺、及其组合。
本领域普通技术人员可以基于一般技术知识以及本文中的描述来选择可以交联的适当的聚合物以及合适的交联方法。交联聚合物材料还可以包含盐例如锂盐以提高锂离子传导性。
如果使用可交联聚合物，则聚合物(或聚合物前体)可以包含一种或更多种交联剂。交联剂为具有被设计成以将在一个或更多个聚合物链之间形成交联键的方式与聚合物链上的官能团相互作用的反应性部分的分子。可以使本文中描述的支撑层用聚合物材料交联的交联剂的实例包括但不限于：聚酰胺-表氯醇(polycup 172)；醛(例如，甲醛和脲-甲醛)；二醛(例如，乙二醛戊二醛和羟基己二醛)；丙烯酸酯(例如，乙二醇二丙烯酸酯、二(乙二醇)二丙烯酸酯、四(乙二醇)二丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二(乙二醇)二甲基丙烯酸酯、三(乙二醇)二甲基丙烯酸酯)；酰胺(例如，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-亚乙基双丙烯酰胺、N,N’-(1,2-二羟基亚乙基)双丙烯酰胺、N-(1-羟基-2,2-二甲氧基乙基)丙烯酰胺)；硅烷(例如，甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷(TMOS)、四乙氧基硅烷(TEOS)、四丙氧基硅烷、甲基三(甲基乙基酮肟)硅烷、甲基三(丙酮肟)硅烷、甲基三(甲基异丁基酮肟)硅烷、二甲基二(甲基乙基酮肟)硅烷、三甲基(甲基乙基酮肟)硅烷、乙烯基三(甲基乙基酮肟)硅烷、甲基乙烯基二(甲基乙基酮肟)硅烷、甲基乙烯基二(环己酮肟)硅烷、乙烯基三(甲基异丁基酮肟)硅烷、甲基三乙酰氧基硅烷、四乙酰氧基硅烷、和苯基三(甲基乙基酮肟)硅烷)；二乙烯基苯；三聚氰胺；碳酸锆铵；二环己基碳二亚胺/二甲基氨基吡啶(DCC/DMAP)；2-氯吡啶离子；1-羟基环己基苯基酮；苯乙酮二甲基缩酮；苯甲酰基甲醚；芳基三氟乙烯基醚；苯并环丁烯；酚树脂(例如，酚与甲醛以及低级醇例如甲醇、乙醇、丁醇和异丁醇的缩合物)、环氧化物；三聚氰胺树脂(例如，三聚氰胺与甲醛以及低级醇例如甲醇、乙醇、丁醇和异丁醇的缩合物)；聚异氰酸酯；和二醛。
可以适合用于支撑层的其他类别的聚合物可以包括但不限于聚胺(例如，聚(乙烯亚胺)和聚丙烯亚胺(PPI))；聚酰胺(例如，聚(ε-己内酰胺)(尼龙6)、聚(己二酰己二胺)(尼龙66))、聚酰亚胺类(例如，聚酰亚胺、聚腈、和聚(均苯四酰亚胺-1,4-二苯醚)(Kapton))；乙烯基聚合物(例如，聚丙烯酰胺、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基氰基丙烯酸酯)、聚(乙基氰基丙烯酸酯)、聚(丁基氰基丙烯酸酯)、聚(异丁基氰基丙烯酸酯)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(2-乙烯基吡啶)、聚氯三氟乙烯、和聚(异己基氰基丙烯酸酯))；聚缩醛；聚烯烃(例如，聚(丁烯-1)、聚(正戊烯-2)、聚丙烯、聚四氟乙烯)；聚酯(例如，聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚羟基丁酸酯)；聚醚(聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(环氧丙烷)(PPO)、聚(四氢呋喃)(PTMO))；亚乙烯基聚合物(例如，聚异丁烯、聚(甲基苯乙烯)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氯乙烯)、和聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯嵌段共聚物))；聚芳酰胺(例如，聚(亚氨基-1,3-亚苯基亚氨基间苯二甲酰基)和聚(亚氨基-1,4-亚苯基亚氨基对苯二酰基))；聚杂芳族化合物(例如，聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并双唑(PBO)和聚苯并双噻唑(PBT))；聚杂环化合物(例如，聚吡咯)；聚氨酯；酚聚合物(例如，酚-甲醛)；聚炔(例如，聚乙炔)；聚二烯(例如，1,2-聚丁二烯、顺式-1,4-聚丁二烯或反式-1,4-聚丁二烯)；聚硅氧烷(例如，聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚(二乙基硅氧烷)(PDES)、聚二苯基硅氧烷(PDPS)、和聚甲基苯基硅氧烷(PMPS))；和无机聚合物(例如，聚磷腈、聚膦酸酯、聚硅烷、聚硅氮烷)。
在一些实施方案中，可以选择聚合物的分子量以实现特定的粘合性亲和力并且可以在支撑层中变化聚合物的分子量。在一些实施方案中，用于支撑层的聚合物的分子量可以大于或等于1,000g/mol、大于或等于5,000g/mol、大于或等于10,000g/mol、大于或等于15,000g/mol、大于或等于20,000g/mol、大于或等于25,000g/mol、大于或等于30,000g/mol、大于或等于50,000g/mol、大于或等于100,000g/mol、或者大于或等于150,000g/mol。在某些实施方案中，用于支撑层的聚合物的分子量可以小于或等于150,000g/mol、小于或等于100,000g/mol、小于或等于50,000g/mol、小于或等于30,000g/mol、小于或等于25,000g/mol、小于或等于20,000g/mol、小于或等于10,000g/mol、小于或等于5,000g/mol、或者小于或等于1,000g/mol。其他范围也是可能的。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约5,000g/mol且小于或等于约50,000g/mol)。
当使用聚合物时，聚合物可以是基本上交联的、基本上未交联的、或者部分交联的，因为当前的公开内容不限于这种形式。此外，聚合物可以是基本上结晶的、部分结晶的、或者基本上非晶的。不希望受到理论的束缚，聚合物是非晶的实施方案可以表现出较光滑的表面，因为聚合物的结晶可能导致表面粗糙度增加。在某些实施方案中，离型层由石蜡形成或者包含石蜡。
以上列出并且本文描述的聚合物材料还可以包含盐例如锂盐(例如，LiSCN、LiBr、LiI、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3、LiSO3CH3、LiBF4、LiB(Ph)4、LiPF6、LiC(SO2CF3)3、和LiN(SO2CF3)2)以提高锂离子传导性。
如本文描述的，支撑层可以定位在载体基底上以便于电极的制造。可以使用任何合适的材料作为载体基底。在一些实施方案中，载体基底的材料(和厚度)可以至少部分地由于其承受某些加工条件例如高温的能力来选择。基底材料还可以至少部分地基于其对离型层的粘合性亲和力来选择。在一些情况下，载体基底为聚合物材料。可以用于形成载体基底的全部或部分的合适材料的实例包括某些本文中描述的适合作为离型层，任选地具有改进的分子量、交联密度、和/或添加添加剂或其他组分的那些。在某些实施方案中，载体基底包含聚酯例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如，光学级聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚烯烃、聚丙烯、尼龙、聚氯乙烯、和聚乙烯(其可以任选地为金属化的)。在一些实施方案中，载体基底包含金属(例如，箔例如镍箔和/或铝箔)、玻璃、或陶瓷材料。在一些实施方案中，载体基底包括可以任选地设置在较厚的基底材料上的膜。例如，在某些实施方案中，载体基底包括一个或更多个膜例如聚合物膜(例如，PET膜)和/或金属化聚合物膜(使用各种金属例如铝和铜)。载体基底还可以包含另外的组分例如填料、粘结剂、和/或表面活性剂。
另外地，载体基底可以具有任何合适的厚度。例如，载体基底的厚度可以大于或等于约5微米、大于或等于约15微米、大于或等于约25微米、大于或等于约50微米、大于或等于约75微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约500微米、或者大于或等于约1mm。在一些实施方案中，载体基底的厚度可以小于或等于约10mm、小于或等于约5mm、小于或等于约3mm、或者小于或等于约1mm。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约100微米且小于或等于约1mm)。其他范围也是可能的。在一些情况下，载体基底的厚度等于或大于离型层的厚度。
在某些实施方案中，一个或更多个载体基底可以在制造电极之后与电极保持整体，但是可以在电极并入电化学电池中之前层离。例如，电极可以被包装并运输至制造商，制造商然后可以将电极并入电化学电池中。在这样的实施方案中，电极可以插入到空气包装和/或防潮包装中以防止或抑制电极结构中的一个或更多个组件的劣化和/或污染。使一个或更多个载体基底保持与电极附接可以便于电极的处理和运输。例如，载体基底可以是相对厚的并且可以具有相对高的刚性或刚度，这可以防止或抑制电极在处理期间变形。在这样的实施方案中，载体基底可以由制造商在组装电化学电池之前、组装电化学电池期间、或组装电化学电池之后被移除。
根据一些实施方案，在充电和/或放电期间向本文描述的电化学电池施加各向异性力可能是有利的。在一些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或电极可以被配置成在保持其结构完整性的同时承受所施加的各向异性力(例如，施加以增强电池内的电极的形态的力)。
在一些实施方案中，本文描述的任何电极可以为电化学电池的一部分，其被构造和布置成使得在电池的充电和/或放电期间的至少一段时间期间向电池施加具有垂直于电化学电池内的电极(例如，包含锂金属和/或锂合金的电极，例如包含锂金属和/或锂合金的阳极)的活性表面的分量的各向异性力。在一些实施方案中，本文描述的任何保护层和/或SEI可以为电化学电池的一部分，其被构造和布置成使得在电池的充电和/或放电期间的至少一段时间期间向电池施加具有垂直于电化学电池内的电极(例如，包含锂金属和/或锂合金的电极，例如包含锂金属和/或锂合金的阳极)的活性表面的分量的各向异性力。在一组实施方案中，可以选择所施加的各向异性力以增强电极(例如，包含锂金属和/或锂合金的电极，例如锂金属和/或锂合金阳极)的形态。
“各向异性力”被给予其在本领域中的普通含义，并且意指不是在所有方向上相等的力。在所有方向上相等的力为例如在流体或材料内的流体或材料的内部压力，例如物体的内部气体压力。不是在所有方向上相等的力的实例包括指向特定方向的力，例如由桌上的物体经由重力施加的对桌的力。各向异性力的另一个实例包括由围绕物体的外围布置的带施加的力。例如，橡胶带或螺丝扣可以围绕其所卷绕的物体的外围施加力。然而，带不可以对物体的外表面的未与带接触的任何部分施加任何直接力。此外，当带沿第一轴延伸至比第二轴更大的程度时，带可以在平行于第一轴的方向上施加比平行于第二轴施加的力更大的力。
在一些这样的情况下，各向异性力包括垂直于电化学电池内的电极的活性表面的分量。如本文所使用，术语“活性表面”用于描述电极的可以发生电化学反应的表面。例如，参照图2，电化学电池5210可以包括第二电极5212(其可以包括活性表面5218)和/或第一电极5216(其可以包括活性表面5220)。电化学电池5210还包括电解质5214和保护层5222。在一些实施方案中，施加有各向异性力的电化学电池包括SEI(例如，除了保护层的组件之外，代替保护层的组件，或者作为保护层的组件)。在图2中，各向异性力5250的分量5251垂直于第二电极的活性表面和第一电极的活性表面二者。在一些实施方案中，各向异性力包括垂直于保护层的与电解质接触的表面的分量。
具有与表面“垂直的分量”的力被给予其如本领域普通技术人员将理解的其普通含义，并且包括例如其自身在基本上垂直于表面的方向上至少部分地发挥作用的力。例如，在具有放在桌上的物体并且仅受重力影响的水平桌的情况下，物体施加基本上完全垂直于桌的表面的力。如果还在水平桌表面上侧向地推动物体，则物体对桌施加力，该力虽然不完全垂直于水平表面，但包括垂直于桌表面的分量。普通技术人员可以理解这些术语的其他实例，尤其是在该文件的描述中应用的其他实例。在弯曲表面(例如，凹面或凸面)的情况下，各向异性力的垂直于电极的活性表面的分量可以对应于与在施加各向异性力的点处与弯曲表面相切的平面垂直的分量。在一些情况下，各向异性力可以被施加在一个或更多个预定位置处，任选地分布在电极的活性表面上和/或保护层的表面上。在一些实施方案中，各向异性力被均匀地施加在第一电极(例如，阳极)的活性表面上和/或均匀地施加在保护层的与电解质接触的表面上。
当在充电和/或放电期间向电化学电池施加各向异性力(例如，在电池的充电和/或放电期间)时，本文描述的任何电化学电池特性和/或性能度量可以单独或彼此组合实现。在一些实施方案中，向电极和/或电化学电池施加的各向异性力(例如，在电池的充电和/或放电期间的至少一段时间期间)可以包括垂直于电极(例如，电化学电池内的阳极例如锂金属和/或锂合金阳极)的活性表面的分量。在一些实施方案中，各向异性力的垂直于电极的活性表面的分量限定大于或等于1kg/cm2、大于或等于2kg/cm2、大于或等于4kg/cm2、大于或等于6kg/cm2、大于或等于8kg/cm2、大于或等于10kg/cm2、大于或等于12kg/cm2、大于或等于14kg/cm2、大于或等于16kg/cm2、大于或等于18kg/cm2、大于或等于20kg/cm2、大于或等于22kg/cm2、大于或等于24kg/cm2、大于或等于26kg/cm2、大于或等于28kg/cm2、大于或等于30kg/cm2、大于或等于32kg/cm2、大于或等于34kg/cm2、大于或等于36kg/cm2、大于或等于38kg/cm2、大于或等于40kg/cm2、大于或等于42kg/cm2、大于或等于44kg/cm2、大于或等于46kg/cm2、或者大于或等于48kg/cm2的压力。在一些实施方案中，各向异性力的垂直于活性表面的分量可以例如限定小于或等于50kg/cm2、小于或等于48kg/cm2、小于或等于46kg/cm2、小于或等于44kg/cm2、小于或等于42kg/cm2、小于或等于40kg/cm2、小于或等于38kg/cm2、小于或等于36kg/cm2、小于或等于34kg/cm2、小于或等于32kg/cm2、小于或等于30kg/cm2、小于或等于28kg/cm2、小于或等于26kg/cm2、小于或等于24kg/cm2、小于或等于22kg/cm2、小于或等于20kg/cm2、小于或等于18kg/cm2、小于或等于16kg/cm2、小于或等于14kg/cm2、小于或等于12kg/cm2、小于或等于10kg/cm2、小于或等于8kg/cm2、小于或等于6kg/cm2、小于或等于4kg/cm2、或者小于或等于2kg/cm2的压力。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1kg/cm2且小于或等于50kg/cm2、大于或等于1kg/cm2且小于或等于40kg/cm2、大于或等于1kg/cm2且小于或等于30kg/cm2、大于或等于1kg/cm2且小于或等于20kg/cm2、或者大于或等于10kg/cm2且小于或等于20kg/cm2)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，各向异性力的垂直于阳极活性表面的分量为阳极材料(例如，锂金属)的屈服应力的约20％至约200％、阳极材料的屈服应力的约50％至约120％、或阳极材料的屈服应力的约80％至约100％。
如本文所述的在充电和/或放电期间施加的各向异性力可以使用本领域已知的任何方法来施加。在一些实施方案中，可以使用压缩弹簧来施加力。可以使用其他元件(在外壳结构的内部或外部)来施加力，这些元件包括但不限于Belleville垫圈、机械螺钉、气动装置和/或重物等。在一些情况下，可以在将电池嵌入外壳结构中之前对其进行预压缩，并且在将其嵌入外壳结构时，其可以膨胀以对电池产生净力。用于施加这样的力的合适方法详细描述在例如在美国专利第9,105,938号中，其通过引用整体并入本文。
在一些实施方案中，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，本文描述的制品(例如，电化学电池和/或电化学电池组件)具有一个或更多个优点(例如，循环寿命提高、容量增加、稳定性提高、电解质在电极(例如，阴极和/或第二电极)上的氧化减少、在高电压下工作的能力提高、充电至高电压的能力提高、电压放电提高、放电能量增加、和/或过渡金属(例如，Co、Ni、Mn)的阳离子从第二电极向电解质的扩散减少和/或在第一电极上的还原减少)。
例如，在一些实施方案中，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，该制品(例如，电化学电池和/或电化学电池组件)在容量降低至初始容量的80％之前完成(或被配置成完成)大于或等于115％、大于或等于120％、大于或等于140％、大于或等于160％、大于或等于180％、或者大于或等于200％的充电-放电循环次数。在一些实施方案中，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，该制品在容量降低至初始容量的80％之前完成(或被配置成完成)小于或等于500％、小于或等于400％、小于或等于350％、小于或等于300％、小于或等于250％、或者小于或等于200％的充电-放电循环次数。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于115％且小于或等于500％、或者大于或等于115％且小于或等于200％)。例如，如果本文公开的制品在容量降低至初始容量的80％之前完成200次充电-放电循环，而不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质(但所有其他因素都相同)的制品在容量降低至初始容量的80％之前完成100次充电-放电循环，则本文公开的制品完成了不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质(但所有其他因素都相同)的制品的200％的充电-放电循环。
类似地，在一些实施方案中，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，制品(例如，电化学电池和/或电化学电池组件)在容量降低至初始容量的62.5％之前完成(或被配置成完成)大于或等于115％、大于或等于125％、大于或等于140％、大于或等于150％、大于或等于175％、大于或等于200％、大于或等于250％、大于或等于300％、大于或等于350％、大于或等于400％、大于或等于450％、大于或等于500％、或者大于或等于550％的充电-放电循环次数。在一些实施方案中，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，制品在容量降低至初始容量的62.5％之前完成(或被配置成完成)小于或等于1,000％、小于或等于900％、小于或等于800％、小于或等于700％、小于或等于600％、或者小于或等于550％的充电-放电循环次数。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于115％且小于或等于1,000％、大于或等于115％且小于或等于600％、或者大于或等于150％且小于或等于550％)。例如，如果本文公开的制品在容量降低至初始容量的62.5％之前完成500次充电-放电循环，而不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质(但所有其他因素都相同)的制品在容量降低至初始容量的62.5％之前完成100次充电-放电循环，则本文公开的制品完成不具有反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质(但所有其他因素都相同)的制品的500％的充电-放电循环。
在一些实施方案中，当制品在高电压下充电时，与不具有第一反应性物质、本文公开的反应产物中的一者或更多者(例如，全部)、本文公开的保护层中的一者或更多者(例如，全部)、和/或含有第一反应性物质和/或第二反应性物质的电解质而所有其他因素都相同的制品相比，本文描述的制品(例如，电化学电池和/或电化学电池组件)具有一个或更多个优点(例如，循环寿命提高(如以上更详细地详述的)、容量增加、稳定性提高、电解质在电极(例如，阴极和/或第二电极)上的氧化减少)。如本文所使用的，高电压为大于或等于4.0V的电压。例如，在一些实施方案中，高电压大于或等于4.0V、大于或等于4.1V、大于或等于4.2V、大于或等于4.3V、大于或等于4.35V、大于或等于4.5V、或者大于或等于4.6V。在一些实施方案中，高电压小于或等于4.75V、小于或等于4.7V、或者小于或等于4.65V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于4.0V且小于或等于4.75V、或者大于或等于4.35V且小于或等于4.65V)。
在一些实施方案中，电极(例如，包含所述物质和/或其反应产物的电极)可以为电化学电池(例如，可再充电电化学电池)的一部分。在某些实施方案中，电极(例如，包含所述物质和/或其反应产物的电极)可以为集成到电池(例如，可再充电电池)中的电化学电池的一部分。在一些实施方案中，本文公开的电化学电池被集成到电池(例如，可再充电电池)中。
在一些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或可再充电电池可以用于向电动交通工具提供电能或者以其他方式并入到电动交通工具中。作为一个非限制性实例，在某些实施方案中，本文描述的电化学电池和/或可再充电电池可以用于向电动交通工具的传动系统提供电能。该交通工具可以为适用于在陆地、海洋、和/或空中行驶的任何合适的交通工具。例如，该交通工具可以为汽车、卡车、摩托车、船、直升机、飞机、和/或任何其他合适类型的交通工具。
为了方便起见，在此列出了说明书、实施例和所附权利要求书中采用的一些术语。以下更详细地描述特定官能团和化学术语的定义。为了本发明的目的，化学元素根据元素周期表，CAS版本，化学和物理手册，第75版，内封面来确定，并且特定官能团通常如其中所述来定义。此外，Organic Chemistry,Thomas Sorrell,University Science Books,Sausalito:1999中描述了有机化学的一般原理以及特定官能部分和反应性。
如本文所使用的，术语“脂族”包括饱和的和不饱和的、非芳族的、直链(即，未支化的)、支化的、无环的和环状的(即，碳环的)烃，其任选地经一个或更多个官能团取代。如本领域普通技术人员将理解的，“脂族”在本文中旨在包括但不限于烷基、烯基、炔基、环烷基、环烯基和环炔基部分。因此，如本文所使用的，术语“烷基”包括直链、支化的和环状的烷基。类似的约定适用于其他通用术语，例如“烯基”、“炔基”等。此外，如本文所使用的，术语“烷基”、“烯基”、“炔基”等包括经取代的基团和未经取代的基团二者。在一些实施方案中，如本文所使用的，“脂族”用于表示具有1至20个碳原子的那些脂族基团(环状的、无环的、经取代的、未经取代的、支化的或未支化的)。脂族基团取代基包括但不限于本文描述的使得形成稳定部分的任何取代基(例如，脂族的、烷基、烯基、炔基、杂脂族的、杂环的、芳基、杂芳基、酰基、氧代、亚氨基、硫代氧代、氰基、异氰基、氨基、叠氮基、硝基、羟基、硫醇基、卤代、脂族氨基、杂脂族氨基、烷基氨基、杂烷基氨基、芳基氨基、杂芳基氨基、烷基芳基、芳基烷基、脂族氧基、杂脂族氧基、烷氧基、杂烷氧基、芳氧基、杂芳氧基、脂族硫基、杂脂族硫基、烷基硫基、杂烷基硫基、芳基硫基、杂芳基硫基、酰氧基等，其中的每一者可以被进一步取代或可以不被进一步取代)。
术语“烷基”是指饱和脂族基团的基团，包括直链烷基、支链烷基、环烷基(脂环族)基团、烷基取代的环烷基和环烷基取代的烷基。烷基可以任选地被取代，如以下更充分描述的。烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、2-乙基己基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基等。“杂烷基”为其中至少一个原子为杂原子(例如，氧、硫、氮、磷等)并且其余原子为碳原子的烷基。杂烷基的实例包括但不限于烷氧基、聚(乙二醇)取代的氨基、烷基取代的氨基、四氢呋喃基、哌啶基、吗啉基等。
术语“烯基”和“炔基”是指与上述烷基类似但分别包含至少一个双键或三键的不饱和脂族基团。
术语“芳基”是指具有单个环(例如，苯基)、多个环(例如，联苯基)或其中至少一个为芳族的多个稠环(例如，1,2,3,4-四氢萘基、萘基、蒽基或菲基)的芳族碳环基团，全部任选地被取代。“杂芳基”为其中芳族环中的至少一个环原子为杂原子，其余环原子为碳原子的芳基。杂芳基的实例包括呋喃基、噻吩基、吡啶基、吡咯基、N低级烷基吡咯基、吡啶基N氧化物、嘧啶基、吡嗪基、咪唑基、吲哚基等，全部任选地被取代。
术语“胺”和“氨基”是指未经取代的胺和经取代的胺二者，例如可以由通式N(R’)(R”)(R”’)表示的部分，其中R’、R”和R”’各自独立地表示化合价规则所允许的基团。
术语“酰基”是本领域中公认的，并且可以包括如可以由通式表示的这样的部分，其中W为H、OH、O-烷基、O-烯基、或其盐。当W为O-烷基时，该式表示“酯”。当W为OH时，该式表示“羧酸”。通常，当上式的氧原子被硫替代时，该式表示“硫代羰基”。当W为S-烷基时，该式表示“硫代酯”。另一方面，当W为烷基时，上式表示“酮”基。当W为氢时，上式表示“醛”基。
如本文所使用的，术语“杂芳族”或“杂芳基”意指包含碳原子环成员和一个或更多个杂原子环成员(例如如氧、硫或氮)的单环或多环杂芳族环(或其基团)。通常，杂芳族环具有5至约14个环成员，其中至少1个环成员为选自氧、硫和氮的杂原子。在另一个实施方案中，杂芳族环为5元环或6元环并且可以包含1至约4个杂原子。在另一个实施方案中，杂芳族环体系具有7至14个环成员并且可以包含1至约7个杂原子。代表性杂芳基包括吡啶基(pyridyl)、呋喃基、噻吩基、吡咯基、唑基、咪唑基、吲哚嗪基、噻唑基、异唑基、吡唑基、异噻唑基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、三嗪基、三唑基、吡啶基、噻二唑基、吡嗪基、喹啉基、异喹啉基、吲唑基、苯并唑基、苯并呋喃基、苯并噻唑基、吲哚嗪基、咪唑并吡啶基、异噻唑基、四唑基、苯并咪唑基、苯并唑基、苯并噻唑基、苯并噻二唑基、苯并二唑基、咔唑基、吲哚基、四氢吲哚基、氮杂吲哚基、咪唑并吡啶基、喹唑啉基、嘌呤基、吡咯并[2,3]嘧啶基、吡唑并[3,4]嘧啶基、苯并(b)噻吩基等。这些杂芳基可以任选地经一个或更多个取代基取代。
术语“经取代的”旨在包括有机化合物的所有允许的取代基，“允许的”是在本领域普通技术人员已知的化学化合价规则的背景下。在一些情况下，“经取代的”通常可以指用如本文所述的取代基替代氢。然而，如本文所使用的，“经取代的”不包括识别分子的关键官能团的替代和/或改变，例如使得“经取代的”官能团通过取代变为不同的官能团。例如，在该定义中，“经取代的苯基”必须仍包含苯基部分并且不能通过取代被改变而变成例如杂芳基(例如吡啶)。在广泛的方面中，允许的取代基包括有机化合物的无环的和环状的、支化的和未支化的、碳环的和杂环的、芳族的和非芳族的取代基。示例性取代基包括例如本文描述的那些。对于合适的有机化合物，允许的取代基可以为一个或更多个并且可以相同或不同。为了本发明的目的，杂原子例如氮可以具有氢取代基和/或本文描述的有机化合物的满足杂原子的化合价的任何允许的取代基。本发明不旨在以任何方式被有机化合物的允许的取代基限制。
取代基的实例包括但不限于烷基、芳基、芳烷基、环状烷基、杂环烷基、羟基、烷氧基、芳氧基、全卤代烷氧基、芳烷氧基、杂芳基、杂芳氧基、杂芳基烷基、杂芳烷氧基、叠氮基、氨基、卤素、烷硫基、氧代、酰基、酰基烷基、羧基酯、羧基、酰胺基、硝基、酰氧基、氨基烷基、烷基氨基芳基、烷基芳基、烷基氨基烷基、烷氧基芳基、芳基氨基、芳烷基氨基、烷基磺酰基、酰胺基烷基芳基、酰胺基芳基、羟基烷基、卤代烷基、烷基氨基烷基羧基、氨基酰胺基烷基、烷氧基烷基、全卤代烷基、芳基烷基氧基烷基等。
实施例
实施例1
该实施例描述了经1H-1,2,4-三唑钾处理的LCO阴极的制造。该实施例证明了包括所述经处理的阴极的电化学电池的循环寿命提高。
通过将LCO阴极在室温下浸入1H-1,2,4-三唑钾在乙醇中1重量％的溶液中1分钟至2分钟来对其进行处理。将经处理的阴极在室温下干燥直到乙醇蒸发，然后将其在130℃下干燥过夜。
然后用这些经处理的LCO阴极、作为阳极的真空沉积的锂、和ENTEK EP分隔件制作电化学电池(“实施例1”)。将电池用0.55g电解质(LiPF6在碳酸二甲酯/氟代碳酸亚乙酯(4:1重量/重量)与1重量％的双(草酸硼酸)锂的混合物中的1M溶液)填充。
制作两组对照电化学电池，其与实施例1的电化学电池相同，不同之处在于将对照组1的LCO阴极保持未经处理，以及将对照组2仅经乙醇处理。
将所有电化学电池都以30mA电流充电至4.55V，并以120mA电流放电至3.2V。所有电化学电池在第一次放电期间都具有510mAh容量，其被视为初始容量。对照组1和对照组2在达到为初始容量的80％的容量之前完成了45次循环。实施例1的电化学电池在达到为初始容量的80％的容量之前完成90次循环。因此，与未经处理的对照物相比，用1H-1,2,4-三唑锂对阴极进行处理产生了在达到为初始容量的80％的容量之前200％的循环次数。
实施例2
该实施例描述了经金属三氟甲磺酸盐和1H-1,2,4-三唑钾处理的NCM 811阴极的制造。该实施例证明了包括所述经处理的阴极的电化学电池的循环寿命提高并且证明了1H-1,2,4-三唑钾添加剂被并入到NCM 811阴极中。
通过将NCM 811阴极浸入5重量％的三氟甲磺酸盐(例如，Cu、Zn、Ni、Co或Ca的三氟甲磺酸盐)在苄腈中的溶液中30秒来对其进行处理。将阴极在真空中在50℃下干燥过夜。然后将阴极在室温下用1重量％的1H-1,2,4-三唑钾在乙醇中的溶液处理1分钟。然后将阴极在130℃下干燥过夜。SEM(扫描电子显微术)和EDS(能量色散X射线光谱法)分析表明钴和氮在阴极的表面上的分布均匀。氮(来自1H-1,2,4-三唑钾)和钴(来自NCM 811阴极)的存在和均匀分布证明了1H-1,2,4-三唑钾添加剂被并入到NCM 811阴极上的SEI层中。
用这些经处理的NCM 811阴极、作为阳极的真空沉积的锂、和ENTEK EP分隔件制作电化学电池(“实施例2”)。将电池用0.55g电解质(LiPF6在碳酸二甲酯/氟代碳酸亚乙酯(4:1重量/重量)与1重量％的双(草酸硼酸)锂的混合物中的1M溶液)填充。
制作两组对照电化学电池，其与实施例2的电化学电池相同，不同之处在于将对照组1的NCM 811阴极保持未经处理，以及将对照组2仅经苄腈/乙醇处理。
将所有电化学电池都以30mA电流充电至4.5V，并以120mA电流放电至3.2V。所有电化学电池在第三次放电期间都显示出400mAh容量(其被视为初始容量)。表1示出了所研究的电化学电池中的每一者在容量降低至250mAh(初始容量的62.5％)之前完成了多少次循环。
表1.电化学电池的性能
电化学电池 至250mAh容量的#循环
对照组1 296
对照组2 324
经三氟甲磺酸铜(II)和1H-1,2,4-三唑钾处理的 358
经三氟甲磺酸锌和1H-1,2,4-三唑钾处理的 353
经三氟甲磺酸镍(II)和1H-1,2,4-三唑钾处理的 460
经三氟甲磺酸钴(II)和1H-1,2,4-三唑钾处理的 377
经三氟甲磺酸钙和1H-1,2,4-三唑钾处理的 347
因此，与未经处理的对照物相比，用金属三氟甲磺酸盐和1H-1,2,4-三唑钾对阴极进行处理产生了在达到为初始容量的62.5％的容量之前107％至155％的循环次数。
实施例3
该实施例描述了经1H-1,2,4-三唑钾处理的NCM 811阴极的制造。该实施例证明了1H-1,2,4-三唑钾添加剂被并入到NCM 811阴极上的SEI层中并且在循环期间保持在那里。
通过将NCM 811阴极在室温下浸入1H-1,2,4-三唑钾在乙醇中1重量％的溶液中1分钟至2分钟来对其进行处理。将经处理的阴极在室温下干燥直到乙醇蒸发，然后将其在130℃下干燥过夜。
然后用这些经处理的NCM 811阴极、作为阳极的真空沉积的锂、和ENTEK EP分隔件制作电化学电池(“实施例3”)。将电池用0.55g电解质(LiPF6在碳酸二甲酯/氟代碳酸亚乙酯(4:1重量/重量)与1重量％的双(草酸硼酸)锂的混合物中的1M溶液)填充。
将所有电化学电池都以30mA电流充电至4.5V，并以120mA电流放电至3.2V。在20次充电-放电循环之后，将阴极从电化学电池中取出。将阴极用碳酸二甲酯冲洗并在室温下干燥。将阴极的表面用EDS(能量色散X射线光谱法)进行分析。EDS分析确定了阴极的表面上0.517原子％的氮，从而证明1H-1,2,4-三唑钾添加剂被并入到NCM 811阴极的SEI层中并且在循环期间保持在那里。
实施例4
该实施例描述了具有1H-1,2,4-三唑钾的LCO阴极的制造。该实施例证明了当制作阴极时向阴极浆料中添加1H-1,2,4-三唑钾引起了循环寿命提高。
制作了包含40重量％的固体组分和60重量％的NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)溶剂的LCO阴极浆料。该固体组分包含95重量％的LCO、2重量％的粘结剂(PVDF)和3重量％的炭黑和石墨。然后向LCO阴极浆料中以相对于总的固体组分0.53重量％的量添加1H-1,2,4-三唑钾以形成混合物。
将混合物涂覆在20微米厚的铝箔基底上，然后干燥，从而形成阴极。如实施例1中将阴极组装到电化学电池中。将电化学电池在75mA下充电至4.55V并在300mA下放电至3.2V。电化学电池输出410mAh至411mAh的初始容量。电池在容量降低至250mAh(约初始容量的61％)之前完成了137次充电-放电循环。
制作相同的阴极和电化学电池，不同之处在于不向LCO阴极浆料中添加1H-1,2,4-三唑钾。这些电化学电池输出410mAh至412mAh的初始容量并且在容量降低至250mAh(约初始容量的61％)之前完成了93次充电-放电循环。
因此，与不添加1H-1,2,4-三唑钾的对照物相比，添加1H-1,2,4-三唑钾产生了在达到为初始容量的61％的容量之前约147％的循环次数。
实施例5
该实施例描述了经硝酸钴和1H-1,2,4-三唑钾处理的NCM 811阴极的制造。该实施例证明了硝酸钴和1H-1,2,4-三唑钾添加剂二者被并入到NCM 811阴极上的SEI层中。
通过将NCM 811阴极浸入5重量％的硝酸钴在乙醇中的溶液中30秒来对其进行处理。将阴极在室温下干燥20分钟，然后在室温下用1重量％的1H-1,2,4-三唑钾在乙醇中的溶液处理1分钟。将经处理的阴极在130℃下干燥过夜。用SEM(扫描电子显微术)和EDS(能量色散X射线光谱法)分析阴极的表面。EDS分析表明在阴极的表面上钴和氮的均匀分布。从而表明硝酸钴和1H-1,2,4-三唑钾添加剂被并入到NCM 811阴极上的SEI层中。
实施例6
该实施例描述了三唑钾的合成。制备了6.57g 1H-1,2,4-三唑溶解在150mL无水四氢呋喃中的溶液。在室温下在氩气下以及在恒定的搅拌下，向该溶液中分批添加3.82g氢化钾，将所得反应混合物搅拌1小时，然后通过在惰性气氛中过滤来回收产物。在过滤之后，将产物用20mL四氢呋喃洗涤，然后在真空下在130℃下干燥过夜。以92.2％的产率回收了9.4g三唑钾。该三唑钾的熔点为246℃至247℃。当在400MHz下在MeOH-d4中通过1H NMR进行分析时，三唑钾显示出在7.92ppm处的单峰。当在100MHz下在MeOH-d4中通过13C NMR进行分析时，三唑钾显示出在150.37ppm处的峰。
实施例7
该实施例描述了三唑锂的合成。制备了10.78g 1H-1,2,4-三唑溶解在150mL无水四氢呋喃中的溶液。在室温下在氩气下以及在恒定的搅拌下，向该溶液中滴加62.4mL的丁基锂在己烷中的2.5M溶液。将所得反应混合物搅拌1小时，然后通过在惰性气氛中过滤来回收产物。在过滤之后，将产物用20mL四氢呋喃洗涤，然后在真空下在130℃下干燥过夜。以80.3％的产率回收了9.4g三唑锂。该三唑锂的熔点为261℃至262℃。当在400MHz下在MeOH-d4中通过1H NMR进行分析时，三唑锂显示出在7.91ppm处的单峰。当在100MHz下在MeOH-d4中通过13C NMR进行分析时，三唑锂显示出在150.20ppm处的峰。
实施例8
该实施例描述了在电化学电池中将包含1H-1,2,4-三唑钾的电解质与实施例4(即，包含1H-1,2,4-三唑钾的LCO阴极)组合的效果。该实施例证明了添加包含1H-1,2,4-三唑钾的电解质甚至进一步提高了实施例4的循环寿命。
根据实施例4制作电化学电池，但将其用0.55g包含2重量％的1H-1,2,4-三唑钾的电解质填充。该电解质通过将2重量％的1H-1,2,4-三唑钾添加至实施例1的电解质中来制备。
将电化学电池在30mA下充电至4.55V并在120mA下放电至3.2V。电化学电池输出407mAh的初始容量。与由不具有含有1H-1,2,4-三唑钾的电解质的实施例4完成的137次充电-放电循环(在75mA下充电至4.55V并在300mA下放电至3.2V)相比，电池在容量降低至250mAh(约初始容量的61％)之前完成了289次充电-放电循环。
实施例9和比较例1
实施例9和比较例1涉及包含三唑盐/酯的电化学电池(实施例9)和没有三唑盐/酯而所有其他因素都相同的在其他方面等同的电化学电池(比较例1)的制造和循环。包含三唑盐/酯的电化学电池具有比没有三唑盐/酯的电化学电池更长的循环寿命。
每个电化学电池通过形成其中两个阳极、三个分隔件和三个阴极以以下顺序成层的堆叠结构来制备(其中阳极和分隔件各自为每个阴极的长度的两倍)：阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极/阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极/阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极，其中每个阴极在两侧上被两倍长度的分隔件覆盖，第一个阴极和最后一个阴极各自在两侧上被两倍长度的阳极覆盖，以及中间的阴极在每侧上分别被覆盖第一个阴极和最后一个阴极的阳极的另一侧覆盖。阳极各自具有以下结构：15微米厚的气相沉积的锂/200mm厚的铜集流体/2微米厚的PVOH离型层，其中再层合气相沉积的锂以得到双侧的阳极，并且其中阳极具有100mm的长度。分隔件各自为由Tonen制造的9微米厚的多孔聚烯烃膜。阴极各自包含以19.3mg/cm2涂覆在16微米厚的铝集流体的每一侧上的BASF NCM622镍锰钴阴极活性材料。阴极的总表面积为100cm2。在成形之后，将堆叠结构添加至箔袋中，然后还向箔袋中添加0.55mL电解质。
用于实施例9的电解质包含溶解在BASF LP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6、4重量％的LiBOB和2重量％的1H-1,2,4-三唑钾。用于比较例1的电解质包含溶解在BASF LP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6和4重量％的LiBOB。
将包括有堆叠结构和电解质的箔袋真空密封，在这之后，使其不受限制地放置24小时。然后，根据以下步骤使电化学电池在10kg/cm2的压力下重复循环：(1)C/10(30mA)充电至4.5V；(2)在4.5V下逐渐减小至3mA；(3)C/2.5(120mA)放电至3.2V。当电池不再能达到它们初始容量的80％时停止循环。
实施例9的循环寿命为220次循环，而比较例1的循环寿命为180次循环。图4示出了实施例9和比较例1的作为时间函数的放电容量，并且表明实施例9的循环寿命相对更长。
实施例10和比较例2至4
实施例10和比较例2至4涉及包含三唑盐/酯的电化学电池(实施例10)和没有三唑盐/酯所有其他因素都相同的在其他方面等同的电化学电池(比较例2)的制造和循环。还研究了没有三唑盐/酯，但进一步包含咪唑(比较例3)或三唑(比较例4)的另外的比较电池。包含三唑盐/酯的电化学电池(实施例10)具有比其他电化学电池更长的循环寿命。
每个电化学电池通过形成其中六个阳极、六个分隔件和三个阴极以以下顺序成层的堆叠结构来制备：阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极/阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极/阳极/分隔件/阴极/分隔件/阳极。阳极各自具有以下结构：15微米厚的气相沉积的锂/200mm厚的铜集流体/2微米厚的PVOH离型层。分隔件各自为由Tonen制造的9微米厚的多孔聚烯烃膜。阴极各自包含以20.66mg/cm2涂覆在16微米厚的铝集流体的每侧上的BASF NCM721镍锰钴阴极活性材料。阴极的总表面积为100cm2。在成形之后，将堆叠结构添加至箔袋中，然后还向箔袋中添加0.55mL的电解质。
用于实施例10的电解质包含溶解在BASF LP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6、1重量％的LiBOB和2重量％的1H-1,2,4-三唑锂。用于比较例2的电解质包含溶解在BASF LP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6和1重量％的LiBOB。用于比较例3的电解质包含溶解在BASFLP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6、1重量％的LiBOB和2重量％的1H-咪唑。用于比较例4的电解质包含溶解在BASF LP9(80重量％的碳酸二甲酯:20重量％的氟代碳酸亚乙酯混合物)中的1M LiPF6、1重量％的LiBOB和4重量％的1H-1,2,4-三唑。
将包括有堆叠结构和电解质的箔袋真空密封，在这之后，使其不受限制地放置24小时。然后，根据以下步骤使电化学电池在10kg/cm2的压力下重复循环：(1)C/4(75mA)充电至4.5V；(2)在4.5V下逐渐减小至10mA；(3)C(300mA)放电至3.2V。当电池不再能够达到它们初始容量的80％时停止循环。
实施例10的循环寿命为260次循环，比较例2的循环寿命为190次循环，比较例3的循环寿命为92次循环，以及比较例4的循环寿命为197次循环。图5示出了实施例10以及比较例3和4的作为时间函数的放电容量，并且表明实施例10的循环寿命相对更长。
实施例11和比较例5
实施例11和比较例5涉及包含三唑盐/酯的电化学电池(实施例11)、和没有三唑盐/酯而所有其他因素都相同的在其他方面等同的电化学电池(比较例5)的制造和循环。包含三唑盐/酯的电化学电池具有比没有三唑盐/酯，并且三唑盐/酯被并入到两个电极的SEI层中的电化学电池更长的循环寿命。
组装具有99.4cm2的电极活性面积、9微米的聚烯烃分隔件和0.55mL的电解质的电化学电池。由金属锂(在离型的Cu/PVOH基底上的20微米的真空沉积的锂)制作负电极/阳极。正电极/阴极为NCM811阴极。用于比较例5的电解质为11.9重量％的LiPF6、16.82重量％的氟代碳酸亚乙酯、67.28重量％的碳酸二甲酯和4重量％的LiBOB。用于实施例11的电解质为98重量％的用于比较例5的电解质和2重量％的1H-1,2,4-三唑钾(KTZ)。
在12kg/cm2的压力下对电化学电池进行测试。将它们在30mA下充电至4.35V并在120mA下放电至3.2V。电池的初始容量为400mAh。使电池循环至250mAh的放电容量并确定循环寿命。实施例11输出了472次循环，而比较例5输出了291次循环。因此，KTZ的添加提供了改善的循环寿命，因为实施例11进行了比较例5的162％的循环次数。
将分别与实施例11和比较例5相同的实施例11’和比较例5’在第20次放电之后停止并拆卸。将电极取出，用碳酸二甲酯冲洗，并干燥。用能量色散X射线光谱(EDS)分析它们的表面。EDS结果证明了实施例11’具有在阳极的表面上2.88％的氮和在阴极的表面上1.47％的氮，而在比较例5’的表面上不存在氮。电解质中唯一的氮来源为KTZ，从而证明了KTZ被并入到阳极以及阴极上的SEI层中。
使分别与实施例11和比较例5相同的实施例11”和比较例5”在与用于实施例11和比较例5的条件相同的条件下循环，不同之处在于将充电电压从4.35V提高至4.55V。初始电池容量为465mAh。实施例11”输出了281次循环，而比较例5”输出了124次循环。因此，KTZ的添加提供了改善的循环寿命，因为实施例11进行了比较例5的229％的循环次数。
实施例12和比较例6
实施例12和比较例6涉及包含三唑盐/酯的电化学电池(实施例12)和没有三唑盐/酯而所有其他因素都相同的在其他方面等同的电化学电池(比较例6)的制造和循环。实施例12与实施例11相同，比较例6与比较例5相同，不同之处在于阴极为LCO阴极(各自包含2.53g LCO材料)。包含三唑盐/酯的电化学电池具有比没有三唑盐/酯的电化学电池更长的循环寿命，并且这种改善随着充电电压更高而提高。
将实施例12和比较例6在30mA下充电至4.4V至4.65V的电压，并在120mA下放电至3.2V。表2提供了在多种充电电压下观察的性能。表2证明了KTZ的添加改善了循环寿命，并且证明了改善的程度随着充电电压更高而提高。
表2.多种充电电压下的LCO阴极电池性能
虽然本文已经描述和举例说明了本发明的数个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的多种另外手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改均被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或更多个具体应用。本领域技术人员将认识到或者仅使用常规实验就能够确定本文所述的发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅通过实例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以具体描述和要求保护的之外的方式进行实践。本发明涉及本文所述的各个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，如果两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法并非互不一致，则这样的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
如本文所定义和使用的所有定义应理解为优先于字典定义、通过引用并入的文件中的定义和/或所定义的术语的普通含义。
除非明确相反地指出，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的没有数量词修饰的名词应理解为意指“至少一个/一种”。
如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指这样结合的要素中的“任一者或二者”，即在一些情况下结合存在而在另一些情况下分开存在的要素。用“和/或”列举的多个要素应以相同方式理解，即，这样结合的要素中的“一者或更多者”。除了由“和/或”子句具体指明的要素之外，其他要素可以任选地存在，无论与具体指明的那些要素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，提及“A和/或B”可以在一个实施方案中仅指A(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中仅指B(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中指A和B二者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分开列表中的项目时，“或”或“和/或”应理解为包括性的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但也包括多于一个，并且任选地包括另外未列举的项目。只有明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当用于权利要求时“由......组成”，是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，当前面有排他性术语(例如“任一个”、“一个”、“仅一个”或“恰好一个”)时，如本文所使用的术语“或”仅应理解为表示排他性替代方案(即，“一个或另一个，但不是二者”)。“基本上由......组成”当在权利要求中使用时应具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“至少一个”在提及一个或更多个要素的列表时应理解为意指选自要素列表中的任一个或更多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素列表中具体列举的每一个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除了在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体指出的要素之外的要素，无论与具体指出的那些要素相关还是无关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，但不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，但不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，和至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。
还应理解，除非明确相反地指出，否则在本文要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于所记载的该方法的步骤或动作的顺序。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡性短语例如“包含”、“包括”、“携有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由......构成”等都应理解为开放式的，即，意指包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所阐述的，只有过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭式或半封闭式的的过渡性短语。

Claims (174)

1.一种电化学电池，包括：
第一电极；和
第二电极，所述第二电极包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。
2.一种电化学电池，包括：
第一电极；
第二电极；和
设置在所述第二电极上的保护层，其中设置在所述第二电极上的所述保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物。
3.一种电化学电池，包括：
包含锂金属的第一电极；和
电解质，其中所述电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质，以及其中所述物质中不存在吸电子取代基。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学电池，还包括设置在所述第一电极上的保护层，其中设置在所述第一电极上的所述保护层包含所述物质和/或其反应产物。
5.一种电化学电池，包括：
包含锂金属的第一电极；和
设置在所述第一电极上的保护层，其中设置在所述第一电极上的所述保护层包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质和/或其反应产物，以及其中所述物质中不存在吸电子取代基。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电化学电池，还包括第二电极。
7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中所述第二电极包含所述物质和/或其所述反应产物。
8.根据任一前述权利要求所述的电化学电池，其中所述电化学电池包括设置在所述第二电极上的保护层，其中设置在所述第二电极上的所述保护层包含所述物质和/或其所述反应产物。
9.根据任一前述权利要求所述的电化学电池，其中设置在所述第一电极上的所述保护层和/或设置在所述第二电极上的所述保护层包含所述物质。
10.根据任一前述权利要求所述的电化学电池，其中设置在所述第一电极上的所述保护层和/或设置在所述第二电极上的所述保护层包含所述反应产物。
11.根据任一前述权利要求所述的电化学电池，其中所述第二电极包含过渡金属。
12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中所述反应产物包含所述过渡金属与所述物质之间的反应产物。
13.一种方法，包括：
使包含过渡金属的电极暴露于包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质的溶液；以及
形成设置在所述电极上的保护层，其中所述保护层包含所述物质和/或其反应产物。
14.一种方法，包括：
使电极暴露于包含过渡金属的初步溶液；
使所述电极暴露于包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质的溶液；以及
形成设置在所述电极上的保护层，其中所述保护层包含所述物质和/或其反应产物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述初步溶液包含大于或等于0.5重量％且小于或等于10重量％的过渡金属盐。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述初步溶液包含大于或等于3重量％且小于或等于5重量％的所述过渡金属盐。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述保护层包含所述物质。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中所述保护层包含所述反应产物。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中所述反应产物包含所述过渡金属与所述物质之间的反应产物。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中所述溶液还包含含不稳定的卤素原子的第二物质。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述溶液包含大于或等于5重量％且小于或等于50重量％和/或大于或等于10重量％且小于或等于30重量％的所述第二物质。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，其中使所述电极暴露于所述初步溶液和/或所述溶液包括将所述电极浸渍和/或浸入在所述初步溶液和/或所述溶液中以及/或者用所述初步溶液和/或所述溶液喷涂所述电极。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的方法，其中所述电极包含电活性材料以及所述电活性材料包含表面，以及使所述电极暴露于所述初步溶液和/或所述溶液包括使所述电活性材料的所述表面的大于或等于80％和/或大于或等于90％且小于或等于100％润湿。
24.根据权利要求13至23中任一项所述的方法，其中使所述电极暴露于所述初步溶液和/或所述溶液是在高于所述初步溶液和/或所述溶液的凝固点的温度下、在大于或等于0℃的温度下、在小于或等于40℃的温度下、和/或在室温下。
25.根据权利要求13至24中任一项所述的方法，其中使所述电极暴露于所述初步溶液和/或所述溶液持续大于或等于30秒和/或小于或等于5分钟。
26.根据权利要求13至25中任一项所述的方法，其中使所述电极暴露于所述初步溶液和/或所述溶液是在真空下。
27.根据权利要求13至26中任一项所述的方法，还包括对所述电极进行干燥。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述干燥包括在一定的温度下干燥持续一定的持续时间。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述温度大于或等于室温、小于或等于150℃、和/或大于或等于120℃且小于或等于130℃。
30.根据权利要求28至29中任一项所述的方法，其中所述持续时间大于或等于1秒、小于或等于24小时、和/或大于或等于5小时且小于或等于15小时。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，其中所述干燥还包括在第二温度下干燥持续第二持续时间。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述第二温度大于所述温度和/或所述第二持续时间大于所述持续时间。
33.根据权利要求31至32中任一项所述的方法，其中所述第二温度大于或等于室温且小于或等于150℃、和/或大于或等于120℃且小于或等于130℃。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的方法，其中所述第二持续时间大于或等于1秒且小于或等于24小时、和/或大于或等于5小时且小于或等于15小时。
35.根据权利要求27至34中任一项所述的方法，其中所述干燥包括在真空下进行干燥。
36.根据权利要求27至35中任一项所述的方法，其中所述干燥包括在使所述电极暴露于所述初步溶液之后并且在使所述电极暴露于所述溶液之前对所述电极进行干燥。
37.根据权利要求13至36中任一项所述的方法，其中所述初步溶液和/或所述溶液包含有机溶剂。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述有机溶剂包括醇和/或腈。
39.根据权利要求13至38中任一项所述的方法，其中所述物质以大于或等于0.1重量％、小于或等于5重量％、和/或大于或等于0.5重量％且小于或等于2重量％的量存在于所述溶液中。
40.一种方法，包括：
将包含过渡金属的电极材料与含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质合并以形成混合物，
用所述混合物涂覆金属基底，以及
对所述混合物进行干燥以形成电极。
41.根据权利要求40所述的方法，其中在所述电极上设置有保护层，以及其中所述保护层包含所述物质和/或其反应产物。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述保护层包含所述物质。
43.根据权利要求41至42中任一项所述的方法，其中所述保护层包含所述反应产物。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的方法，其中所述反应产物包含所述过渡金属与所述物质之间的反应产物。
45.根据权利要求40至44中任一项所述的方法，其中所述合并还包括将所述电极材料和所述物质跟含不稳定的卤素原子的第二物质合并以形成所述混合物。
46.根据权利要求40至45中任一项所述的方法，其中所述混合物包含固体组分和液体组分。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述混合物包含大于或等于10重量％且小于或等于50重量％的所述固体组分。
48.根据权利要求46至47中任一项所述的方法，其中所述液体组分包含有机溶剂。
49.根据权利要求40至48中任一项所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含金属和/或金属氧化物。
50.根据权利要求40至49中任一项所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含大于或等于80重量％的金属和/或金属氧化物。
51.根据权利要求49至50中任一项所述的方法，其中所述金属和/或所述金属氧化物包括锂金属、过渡金属、和/或过渡金属氧化物。
52.根据权利要求40至51中任一项所述的方法，其中所述混合物包含大于或等于0.1重量％且小于或等于20重量％的所述物质、和/或大于或等于5重量％且小于或等于15重量％的所述物质。
53.根据权利要求40至52中任一项所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含粘结剂。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含大于或等于0.1重量％的粘结剂且小于或等于10重量％的粘结剂、和/或大于或等于0.5重量％的粘结剂且小于或等于5重量％的粘结剂。
55.根据权利要求40至54中任一项所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含基于碳的材料。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述电极材料和/或所述固体组分包含大于或等于0.1重量％且小于或等于10重量％、和/或大于或等于0.5重量％且小于或等于5重量％的基于碳的材料。
57.根据权利要求40至56中任一项所述的方法，其中所述金属基底包括铝、铝合金、和/或金属化聚合物膜。
58.根据权利要求40至57中任一项所述的方法，其中所述金属基底的厚度大于或等于4微米且小于或等于50微米、和/或大于或等于7微米且小于或等于15微米。
59.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述电极为第二电极。
60.根据权利要求59所述的方法，包括将所述第二电极与第一电极组合以形成电化学电池。
61.一种方法，包括：
将一定体积的电解质放置在包括有第一电极的电化学电池中，
其中所述第一电极包含锂金属，以及
其中所述电解质包含含有共轭的带负电荷的含氮原子的环的物质；以及
在所述第一电极上形成保护层，其中所述保护层包含所述物质和/或其反应产物；以及
其中所述物质中不存在吸电子取代基。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述保护层包含所述物质。
63.根据权利要求61至62中任一项所述的方法，其中所述保护层包含所述反应产物。
64.根据权利要求61至63中任一项所述的方法，其中所述反应产物包含锂金属与所述物质之间的反应产物。
65.根据权利要求61至64中任一项所述的方法，其中所述电化学电池还包括第二电极。
66.根据权利要求65所述的方法，其中所述第二电极包含过渡金属。
67.根据权利要求65至66中任一项所述的方法，其中将所述一定体积的电解质放置在所述电化学电池中还在所述第二电极上形成了第二保护层。
68.根据权利要求67所述的方法，其中所述第二保护层包含所述物质和/或其第二反应产物。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述第二保护层包含所述物质。
70.根据权利要求68至69中任一项所述的方法，其中所述第二保护层包含所述第二反应产物。
71.根据权利要求68至70中任一项所述的方法，其中所述第二反应产物包含所述过渡金属与所述物质之间的反应产物。
72.根据权利要求61至71中任一项所述的方法，其中所述电解质还包含含不稳定的卤素原子的第二物质。
73.根据权利要求72所述的方法，其中所述电解质包含大于或等于5重量％且小于或等于50重量％、和/或大于或等于10重量％且小于或等于30重量％的所述第二物质。
74.根据权利要求61至73中任一项所述的方法，其中所述反应产物和/或所述第二反应产物包含所述物质与所述第二物质之间的反应产物。
75.根据权利要求61至74中任一项所述的方法，其中所述反应产物包含所述物质、所述第二物质和所述锂金属之间的反应产物。
76.根据权利要求68至75中任一项所述的方法，其中所述第二反应产物包含所述物质、所述第二物质和所述过渡金属之间的反应产物。
77.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质中不存在吸电子取代基。
78.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物包含所述物质与第二物质之间的反应产物，其中所述第二物质包含不稳定的卤素原子。
79.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物包含所述物质、所述过渡金属和第二物质之间的反应产物，其中所述第二物质包含不稳定的卤素原子。
80.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池还包括电解质。
81.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含所述物质。
82.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物包含锂金属与所述物质之间的反应产物。
83.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含含不稳定的卤素原子的第二物质。
84.根据权利要求83所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含大于或等于5重量％且小于或等于50重量％、和/或大于或等于10重量％且小于或等于30重量％的含所述不稳定的卤素原子的所述第二物质。
85.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第一电极包含锂金属。
86.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中在所述第一电极上设置有保护层。
87.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中设置在所述第一电极上的所述保护层包含所述物质和/或第二反应产物。
88.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中设置在所述第一电极上的所述保护层包含所述物质。
89.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中设置在所述第一电极上的所述保护层包含所述第二反应产物。
90.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二反应产物包含所述锂金属与所述物质之间的反应产物。
91.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二反应产物包含所述物质与所述第二物质之间的反应产物。
92.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二反应产物包含所述物质、所述第二物质和所述锂金属之间的反应产物。
93.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含所述第二物质。
94.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述不稳定的卤素原子包括不稳定的氟原子。
95.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质包含PF6 -、氟代碳酸亚乙酯、二氟代碳酸亚乙酯、二氟代(草酸)硼酸根阴离子、双氟代磺酰亚胺阴离子、和/或双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子。
96.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质还包含所述第二物质的抗衡离子。
97.根据权利要求96所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质的所述抗衡离子是多价的。
98.根据权利要求96至97中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质的所述抗衡离子包含碱金属阳离子。
99.根据权利要求96至98中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质的所述抗衡离子包含Li+、Na+、K+、Rb+、Fr+、和/或Cs+中的一者或更多者。
100.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质还包含与所述第二物质不同的含不稳定的氟原子的第三物质。
101.根据权利要求100所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质包含PF6 -以及所述第三物质包含氟代碳酸亚乙酯。
102.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述不稳定的卤素原子包括不稳定的氯原子。
103.根据权利要求102所述的电化学电池或方法，其中所述第二物质包括氯代碳酸亚乙酯。
104.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述不稳定的卤素原子包括不稳定的溴原子和/或不稳定的碘原子。
105.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二电极包括阴极。
106.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二电极包含过渡金属和/或过渡金属氧化物。
107.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述过渡金属包括Co、Ni、Mn、Fe、Cr、V、Cu、Zr、Nb、Mo、Ag、和/或镧系元素金属。
108.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二电极包含锂过渡金属氧化物。
109.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第二电极包括锂嵌入型电极、LCO阴极、NCM622阴极、NCM721阴极、NCM811阴极、其中x+y+z＝1的LiNixCoyMnz阴极、锂镍锰钴氧化物阴极、锂镍钴铝氧化物阴极、磷酸铁锂阴极、和/或锂钴氧化物阴极。
110.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包括液体电解质。
111.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含LiPF6、氟代碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、和/或双(草酸)硼酸锂。
112.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质还包含溶剂。
113.根据权利要求112所述的电化学电池或方法，其中所述溶剂包括碳酸酯。
114.根据权利要求113所述的电化学电池或方法，其中所述碳酸酯包括碳酸二甲酯。
115.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质包含另外的盐。
116.根据权利要求115所述的电化学电池或方法，其中所述另外的盐包括(草酸)硼酸根基团、双(草酸)硼酸锂、三(草酸)磷酸根阴离子、和/或三(草酸)磷酸锂。
117.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物中的一者或更多者在所述电解质中是不溶的。
118.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物中的一者或更多者在有机溶剂中是不溶的。
119.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物中的一者或更多者包含与所述过渡金属和/或所述锂金属的共价键和/或配位键。
120.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物中的一者或更多者包含聚合物。
121.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述反应产物中的一者或更多者包含2D聚合物网络和/或3D聚合物网络。
122.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池与不具有所述反应产物中的一者或更多者和/或所述物质而所有其他因素都相同的电化学电池相比具有提高的循环寿命。
123.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池被配置成与不具有所述反应产物中的一者或更多者和/或所述物质的电化学电池相比，在容量降低至初始容量的80％之前完成大于或等于115％、和/或大于或等于115％且小于或等于500％的充电-放电循环次数。
124.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池被配置成与不具有所述反应产物中的一者或更多者和/或所述物质的电化学电池相比，在容量降低至初始容量的62.5％之前完成大于或等于115％、和/或大于或等于115％且小于或等于1,000％的充电-放电循环次数。
125.根据权利要求122至124中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池在高电压下充电。
126.根据权利要求122至125中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池被充电至大于或等于4.0V、和/或大于或等于4.0V且小于或等于4.75V。
127.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述第一电极包括阳极。
128.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电化学电池包括分隔件。
129.根据权利要求128所述的电化学电池或方法，其中所述分隔件包括聚烯烃分隔件。
130.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质包含碱金属。
131.根据权利要求130所述的电化学电池或方法，其中所述碱金属包括Li、Na、K、Rb、Cs、和/或Fr。
132.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质包含两个或更多个氮原子。
133.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质包括经取代或未经取代的1,2,4-三唑、1,2,3-三唑、1,3,4-三唑、吡唑、咪唑、四唑、苯并咪唑、吲唑、和/或苯并三唑。
134.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环为经取代的。
135.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环为经单取代的。
136.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环为经多取代的。
137.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环经烷基、芳基、烷氧基、芳氧基、硝基、氨基、硫基、氟、氯、溴、碘、和/或磷酸酯取代基取代。
138.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在使用期间向所述电化学电池施加具有垂直于所述第一电极的表面的分量的各向异性力。
139.根据权利要求138所述的方法，其中所述各向异性力的垂直于所述第一电极的表面的所述分量为锂金属的屈服应力的约20％至约200％。
140.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质包含给电子基团。
141.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质在标准温度和压力条件下在水中是不稳定的。
142.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质为单环的。
143.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质为多环的。
144.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质为双环的和/或三环的。
145.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质包含5元环、6元环、两个6元环、5元环和6元环、9元环、12元环、和/或16元环。
146.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质为一价阴离子。
147.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质不包含与所述氮原子结合的任何酸性质子。
148.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述物质不包含任何酸性质子。
149.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环为吡咯盐/酯衍生物、唑盐/酯衍生物、咪唑盐/酯衍生物、吡唑盐/酯衍生物、和/或三唑盐/酯衍生物。
150.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述电解质还包含所述共轭的带负电荷的含氮原子的环的抗衡离子。
151.根据权利要求150所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环的所述抗衡离子为一价的。
152.根据权利要求150所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环的所述抗衡离子为多价的。
153.根据权利要求150至152中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环的所述抗衡离子为碱金属阳离子。
154.根据权利要求150至153中任一项所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环的所述抗衡离子为Li+、Na+、K+、Rb+、Fr+、和/或Cs+中的一者或更多者。
155.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环及其抗衡离子一起占所述电解质的大于或等于0.01重量％且小于或等于5重量％、和/或大于或等于1重量％且小于或等于3重量％。
156.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中所述共轭的带负电荷的含氮原子的环具有以下结构：
其中：
每种情形下X独立地选自–N＝和–CR＝；
每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、烷氧基、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈；以及
任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
157.根据权利要求156所述的电化学电池或方法，其中每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、烷氧基、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或任选地经取代的硫化物。
158.根据权利要求156至157中任一项所述的电化学电池或方法，其中X不为–N＝并且四个X为–CR＝，一个X为–N＝并且三个X为–CR＝，两个X为–N＝并且两个X为–CR＝，以及/或者三个X为–N＝并且一个X为–CR＝。
159.根据权利要求156至158中任一项所述的电化学电池或方法，其中R没有相连接以形成环。
160.根据权利要求156至158中任一项所述的电化学电池或方法，其中两个R相连接以形成第一芳族环。
161.根据权利要求160所述的电化学电池或方法，其中所述第一芳族环包含至少一个氮原子。
162.根据权利要求160至161中任一项所述的电化学电池或方法，其中两个R相连接以形成所述第一芳族环并且两个R相连接以形成第二芳族环。
163.根据权利要求162所述的电化学电池或方法，其中所述第一芳族环和所述第二芳族环中的至少一者包含至少一个氮原子。
164.根据权利要求156至157中任一项所述的电化学电池或方法，其中包括：
其中：
每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、醇、卤素、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、硝基、任选地经取代的磺酰基、任选地经取代的酰基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、任选地经取代的硫化物、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、或腈；以及
任选地，其中任意两个R相连接以形成环。
165.根据权利要求164所述的电化学电池或方法，其中每种情形下R独立地选自氢、任选地经取代的烷基、烷氧基、任选地经取代的杂烷基、任选地经取代的环杂烷基、任选地经取代的烯基、任选地经取代的炔基、任选地经取代的芳基、任选地经取代的杂芳基、任选地经取代的烯氧基、任选地经取代的烷氧基、任选地经取代的硫基、环氧基、任选地经取代的氧基酰氧基、任选地经取代的氨酰基、叠氮化物、任选地经取代的氨基、任选地经取代的膦、或者任选地经取代的硫化物。
166.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中亲核取代反应使所述电解质经历能够通过NMR测量检测到的组成上的变化。
167.根据权利要求166所述的电化学电池或方法，其中所述NMR测量为19F NMR测量、31PNMR测量、13C NMR测量、和/或1H NMR测量。
168.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中设置在所述第一电极上的所述保护层和/或设置在所述第二电极上的所述保护层还包含多个颗粒。
169.根据权利要求168所述的电化学电池或方法，其中所述多个颗粒通过气溶胶沉积来沉积。
170.根据任一前述权利要求所述的电化学电池或方法，其中设置在所述第一电极上的所述保护层和/或设置在所述第二电极上的所述保护层包含大于或等于0.1原子％且小于或等于10原子％的氮、大于或等于1原子％且小于或等于5原子％的氮、和/或大于或等于0.5原子％且小于或等于2原子％的氮。
171.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述一定体积的电解质填充所述第一电极中的全部孔。
172.根据任一前述权利要求所述的方法，其中将所述一定体积的电解质放置在所述电化学电池中进行为在所述电化学电池的初始使用之前至少24小时。
173.一种可再充电电池，包括根据任一前述权利要求所述的电化学电池。
174.一种电动车辆，包括根据任一前述权利要求所述的电化学电池或者根据权利要求173所述的可再充电电池。
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