DE10215305A1 - Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation - Google Patents

Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation

Info

Publication number
DE10215305A1
DE10215305A1 DE10215305A DE10215305A DE10215305A1 DE 10215305 A1 DE10215305 A1 DE 10215305A1 DE 10215305 A DE10215305 A DE 10215305A DE 10215305 A DE10215305 A DE 10215305A DE 10215305 A1 DE10215305 A1 DE 10215305A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrolyte
lithium
anode
cathode
active
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10215305A
Other languages
German (de)
Inventor
Jens M Paulsen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE10215305A priority Critical patent/DE10215305A1/en
Publication of DE10215305A1 publication Critical patent/DE10215305A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/40Alloys based on alkali metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/16Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte
    • H01M6/162Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte
    • H01M6/166Cells with non-aqueous electrolyte with organic electrolyte characterised by the electrolyte by the solute
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

In rechargeable lithium cells with improved cycle stability and good high current properties, consisting of an anode film with (A) an active anode intercalation material, a cathode film with (B) an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of (C) electrolyte salt dissolved in (D) an electrolyte solvent, the electrolyte is thermodynamically stable towards reduction at the Li-intercalated anode during operation. Independent claims are also included for numerous versions of Li cells of this type with specified combinations of components.

Description

Bisherige wiederaufladbare Lithiumzellen zeigen eine begrenzte Zyklenstabilität. Previously rechargeable lithium cells have limited cycle stability.

Es werden aktive Kathodenmaterialien verwendet, welche eine hohe Deinterkalations-Spannung von etwa 4.2 V versus Li/Li+ haben. Weit verbreitet ist LiCoO2. LiCoO2 ist eine Vertreter der Lithium-Übergangsmetall-Oxide-Kathodenmaterialien mit Schichtstruktur, welche alternierende Schichten von Lithium und Übergangsmetall in einem kubisch dichtgepackten Sauerstoffgitter aufweisen. Die Raumgruppe ist R-3 m. Die Formel ist LixMyO2 wobei x ∼ 1 und y ∼ 1, und M ist Ni, Co, Mn oder Mischungen von Ni, Co und/oder Mn. Dotierung mittels Mg, Al oder Ti ist bekannt. Weitere Beispiele neben LiCoO2 sind LiNiO2 bzw. genauer Li1-xNi1+xO2 (x ∼ 0.05), LiNi1-xCoxO2, LiNi1-x-yCoxAlyO2 (x ∼ 0.2, y ∼ 0.05, Li1+x{(Ni1/2Mn1/2)1-yCoy}1-xO2 (x ∼ 0.05, y ∼ 0.2). Ein weiteres verbreitetes Kathodenmaterial ist Lithium-Mangan-Spinell, nicht limitiert zu stoichiometrischem Spinel LiMn2O4. Besonders geeignet sind lithiumreiche Spinelle, die außerdem noch mit weiteren Metallen wie Al und weiteren Übergangsmetallen M wie Cr, Ni, Co dotiert sein können, resultierend in Li[LixMyMn2-x-y]O2. Nicht alle Lithium-Mangan-Spinelle sind 4 V-Kathodenmaterialien. LiNi0.5Mn1.5O4 zum Beispiel hat eine Spannung von etwa 4.85 V. Außerdem sind Kathodenmaterialien basisierend auf Phosphaten bekannt. Lithium- Übergangsmetall-Phosphat-Kathodenmaterialien sind zum Beispiel LiFePO4, LiMnPO4, LiFe1-xMnx oder LiCoPO4. Bevorzugt sind Phosphate mit der Olivinstruktur, weil diese eine höhere kristallographische Dichte haben. LiCoPO4 ist ein Kathodenmaterial mit einer höheren Spannung versus Li/Li+. Diese Phosphate können durch Dotierung modifiziert werden. Dotierung für das Phosphate als auch für das Übergangsmetall ist möglich. Active cathode materials are used which have a high deintercalation voltage of approximately 4.2 V versus Li / Li + . LiCoO 2 is widely used. LiCoO 2 is a representative of the lithium transition metal oxide cathode materials with a layer structure, which have alternating layers of lithium and transition metal in a cubic, tightly packed oxygen lattice. The space group is R-3 m. The formula is Li x M y O 2 where x ∼ 1 and y ∼ 1, and M is Ni, Co, Mn or mixtures of Ni, Co and / or Mn. Doping with Mg, Al or Ti is known. Other examples besides LiCoO 2 are LiNiO 2 or more precisely Li 1-x Ni 1 + x O 2 (x ∼ 0.05), LiNi 1-x Co x O 2 , LiNi 1-xy Co x Al y O 2 (x ∼ 0.2 , y ∼ 0.05, Li 1 + x {(Ni 1/2 Mn 1/2 ) 1-y Co y } 1-x O 2 (x ∼ 0.05, y ∼ 0.2) Another common cathode material is lithium manganese Spinel, not limited to stoichiometric spinel LiMn 2 O 4. Particularly suitable are lithium-rich spinels, which can also be doped with other metals such as Al and other transition metals M such as Cr, Ni, Co, resulting in Li [Li x M y Mn 2 -xy ] O 2. Not all lithium-manganese spinels are 4 V cathode materials, for example LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 has a voltage of about 4.85 V. In addition, cathode materials based on phosphates are known, lithium transition metal phosphate cathode materials are for example LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiFe 1-x Mn x or LiCoPO 4. Phosphates with the olivine structure are preferred because they have a higher crystallographic density LiCoPO 4 is a cathode material with a higher voltage versus Li / Li + . These phosphates can be modified by doping. Doping for the phosphate as well as for the transition metal is possible.

Als aktive Anodenmaterialien werden Hardcarbons oder Graphite verwendet. Diese Anodenmaterialien werden anstelle von Lithium-Metall verwendet, welches Dendriten formt und dadurch den Elektrolyten exzessiv reduziert. Weniger verbreitet sind alternative Anoden- Interkalationsmaterialien wie Lithium-Titan-Spinelle, welche eine höhere Spannung versus Li/Li+ haben. Hard carbons or graphite are used as active anode materials. These anode materials are used instead of lithium metal, which forms dendrites and thereby excessively reduces the electrolyte. Alternative anode intercalation materials such as lithium-titanium spinels, which have a higher voltage versus Li / Li + , are less common.

Als Elektrolyte werden Elektrolytsalze wie LiPF6, aufgelöst in Elektrolytlösungsmitteln, verwendet. Typische Elektrolytlösungsmittel enthalten Moleküle die zyklisch oder nichtzyklisch sein können. Zyklische Moleküle wie EC (Ethylenkarbonat), PC (Propylenkarbonat), BC (Buthylenkarbonat), GBL (gamma-Butyrolactone), Dioxalan und THF (Tetrahydrofuran) können durch eine Reduktion geöffnet werden. Weitere Beispiele für zyklische Moleküle sind die entsprechenden Sulfite wie ES (Ethylensulfit), PS (Propylensulfit) und weitere. Elektrolytlösungsmittel mit nicht-zyklischen Molekülen sind zum Beispiel DMC (Dimethylkarbonat) und DEC (Diethylkarbonat). Weitere Beispiele sind AN (Acetonitril) und die entsprechenden Sulfite DMS und DES, desweiteren DME (Dimethoxyethan), EB (Ethylbutyrat) und EMC (Ethyl-Methylkarbonat). Weitverbreitet sind Elektrolytlösungsmittel, welche Mischungen zyklischer Karbonate, vor allem von EC (Ethylenkarbonate) mit nichtzyklischen Karbonaten wie DEC (Diethylkarbonate) oder DMC (Dimethylkarbonate) sind. Als Elektrolytsalz wird meistens LiPF6 verwendet. LiPF6 ist nicht stabil in Wasser. Es wird beobachtet, daß LiPF6, gelöst in Elektrolytlösungsmitteln, bei erhöhter Temperatur mit Spuren von Wasser und eventuell dem Lösungsmittel reagiert. Die Stabilität des Salzes im Lösungsmittel kann gemessen werden durch geeignete Titration oder Analyse der Reaktionsprodukte nach Lagerung bei z. B. 60°C. Im Gegensatz dazu können wasserstabile Salze aufgelöst werden ohne chemisch mit Wasser zu reagieren. Electrolyte salts such as LiPF 6 , dissolved in electrolyte solvents, are used as electrolytes. Typical electrolyte solvents contain molecules that can be cyclic or non-cyclic. Cyclic molecules such as EC (ethylene carbonate), PC (propylene carbonate), BC (butylene carbonate), GBL (gamma-butyrolactone), dioxalane and THF (tetrahydrofuran) can be opened by a reduction. Further examples of cyclic molecules are the corresponding sulfites such as ES (ethylene sulfite), PS (propylene sulfite) and others. Electrolytic solvents with non-cyclic molecules are, for example, DMC (dimethyl carbonate) and DEC (diethyl carbonate). Further examples are AN (acetonitrile) and the corresponding sulfites DMS and DES, furthermore DME (dimethoxyethane), EB (ethyl butyrate) and EMC (ethyl methyl carbonate). Electrolyte solvents are widespread, which are mixtures of cyclic carbonates, especially of EC (ethylene carbonates) with non-cyclic carbonates such as DEC (diethyl carbonate) or DMC (dimethyl carbonate). LiPF 6 is mostly used as the electrolyte salt. LiPF 6 is not stable in water. It is observed that LiPF 6 , dissolved in electrolyte solvents, reacts with traces of water and possibly the solvent at elevated temperature. The stability of the salt in the solvent can be measured by suitable titration or analysis of the reaction products after storage at z. B. 60 ° C. In contrast, water-stable salts can be dissolved without reacting chemically with water.

Während des Betriebes wird Lithium in die Anode interkaliert, und die Spannung an der Kohlenstoff bzw. Graphitanode versus Li/Li+ sinkt und nähert sich 0 V. Dabei wird das Stabilitätsfenster des Elektrolyten verlassen. An der Oberfläche der Anode sind gleichzeitig Elektronen, Lösungsmittelmoleküle und Lithium vorhanden, und das Lösungsmittel wird reduziert. Das US Patent US 5,766,796 (K. M. Abraham & D. Peramunaga) beschreibt die mögliche Reduktion von PC (Propylenkarbonate). Die Reduktion des Lösungsmittels konsumiert Lithium und resultiert in einem Verlust von reversibler Kapazität. Die Reaktionsprodukte der Elektrolytreduktion formen einen Film auf der Anode, welcher SEI (Solid-Electrolyte-Interface) genannt wird. During operation, lithium is intercalated into the anode and the voltage at the Carbon or graphite anode versus Li / Li + sinks and approaches 0V Leave the stability window of the electrolyte. Are on the surface of the anode at the same time Electrons, solvent molecules and lithium are present and the solvent will reduced. U.S. Patent No. 5,766,796 (K.M. Abraham & D. Peramunaga) describes that possible reduction of PC (propylene carbonates). The reduction of the solvent consumes lithium and results in a loss of reversible capacity. The Reaction products of the electrolyte reduction form a film on the anode, which is SEI (Solid Electrolyte Interface) is called.

Wenn ein geeigneter Elektrolyte gewählt wird, dann ist der entstandene SEI Film auf der Anode relativ stabil. Der SEI Film ist ein elektronischer Nichtleiter. Ein stabiler SEI Film separiert die Elektrolyt-Moleküle von den Elektronen und vom interkalierten Lithium. Deshalb wird die Elektrolytreduktion verlangsamt. Nur ausgewählte Elektrolyte formen einen relativ stabilen SEI Film. SEI-Film formende Elektrolyte sind zum Beispiel EC/DEC oder EC/DMC. Der Zusatz von EC ist besonders geeignet um relativ stabile SEI-Filme zu formen. Zusätzliche Filmstabilisierende Additive sind zum Beispiel in US Patent US 5,626,981 (Simon et al.) beschrieben. Die Stabilisierung des SEI Filmes beruht auf der bevorzugten Reduktion des Additives an der Lithium interkalierten Anode. Die eigentliche Herausforderung, nämlich die Elektrolytreduktion zu unterdrücken, wird damit nicht vollständig erreicht. If a suitable electrolyte is selected, the resulting SEI film is on the anode relatively stable. The SEI film is an electronic non-conductor. A stable SEI film separates the Electrolyte molecules from electrons and intercalated lithium. Therefore the Electrolyte reduction slows down. Only selected electrolytes form a relatively stable SEI Movie. SEI film-forming electrolytes are, for example, EC / DEC or EC / DMC. The addition from EC is particularly suitable for forming relatively stable SEI films. additional Film stabilizing additives are described, for example, in US Pat. No. 5,626,981 (Simon et al.) described. The stabilization of the SEI film is based on the preferred reduction of the Additives on the lithium intercalated anode. The real challenge, namely the Suppressing electrolyte reduction is not completely achieved.

Dieser weitverbreitet Zugang (Kohlenstoff-Anode, SEI-Film formender Elektrolyte, 4 V- Kathode) ist die konventionelle Lithium-Ionen-Zelle. Die Formierung eines relativ stabilen SEI- Films verlangsamt die Elektrolyt-Reduktionsrate, aber die Reduktion ist nicht völlig verhindert. Die Rate ist klein, aber nicht null. Darum haben Li-Ion-Zellen mit Kohlenstoff-Anoden eine begrenzte Zyklenstabilität. Typischerweise, bei Raumtemperatur, kann bis zu 1000 Zykeln gezykelt werden, jedoch wird ein Kapazitätsverlust und der Aufbau von hohen Impedanzen beobachtet. Bei höheren Temperaturen (z. B. 55°C) ist die Kapazitäts-Verlustrate schneller. Der Verlust wird Fading genannt und hat mehrere Ursachen. (I) Verlust von Lithium an der Anode durch Elektrolytreduktion, (2) Aufbau von Impedanz-Schichten an der Kathode (3) Zerstörung des aktiven Elektrodenmaterials, speziell an der Kathode. Die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode (1) verursacht weitere Probleme wie z. B. (4) Gasentwicklung vor allem während des ersten Zykels, (5) verminderte Sicherheit und (6) erhöhte Selbstentladung. This widespread access (carbon anode, SEI film-forming electrolytes, 4 V Cathode) is the conventional lithium-ion cell. The formation of a relatively stable SEI Films slows the electrolyte reduction rate, but the reduction is not completely prevented. The rate is small, but not zero. That is why Li-ion cells with carbon anodes have one limited cycle stability. Typically, at room temperature, up to 1000 cycles be cycled, however, will result in a loss of capacity and the building of high impedances observed. At higher temperatures (e.g. 55 ° C) the capacity loss rate is faster. The Loss is called fading and has several causes. (I) Loss of lithium at the anode by electrolyte reduction, (2) build-up of impedance layers on the cathode (3) destruction of the active electrode material, especially on the cathode. The electrolyte reduction at the Lithium intercalated anode (1) causes further problems such as B. (4) gas evolution before all during the first cycle, (5) reduced safety and (6) increased self-discharge.

Die gegenwärtige Technologie der Lithium-Ionen-Zellen kennt keine vollständig befriedigende Lösung für das Fading Problem (1)-(3) und die weiteren Probleme (4)-(6). The current technology of lithium-ion cells is not fully satisfactory Solution for the fading problem (1) - (3) and the other problems (4) - (6).

Es ist in der gegenwärtigen Technologie nicht demonstriert worden, daß das Fading dadurch berhindert werden kann, daß (1) verhindert bzw. reduziert wird. It has not been demonstrated in current technology that fading does so can be prevented that (1) is prevented or reduced.

Auch bei der Verwendung von alternativen Anodenmaterialien mit höherer Interkalations- Spannung, wie Lithium-Titan-Spinelle, ist bisher eine genügende Unterdrückung der Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode nicht demonstriert worden. Li4Ti5O12 als auch LiTi2O4 sind spezielle Vertreter der Lithium-Titan-Spinelle. Die Preparation, Struktur und die elektrochemischen Eigenschaften sowie die Anwendung von LiTi2O4 und Li4Ti5O12 als Kathode (versus Lithium) in 1.5 V Batterien ist beschrieben in K. M. Colbow, J. R. Dahn, R. R. Haering, Journal of Power Sources 26 (1989) 397-402. Die Anwendung als Kathode in 1.5 V Batterien wurde patentiert durch US 6,153,336 (Sanyo). Das japanische HEI HEI 6-275263 beschreibt, daß Lithium-Titan-Oxide exzellente Lade/Entlade Eigenschaften haben. Die Doktorarbeit "Lithium intercalation in titanium based oxides and sulfides" (PhD thesis by Kevin Colbow, University of British Colombia, 1988) beschreibt eine Lithiumzelle, welche Li4Ti5O12 als Anode und ein 4 V Interkalationmaterial als Kathode hat. Die Verwendung von Li4Ti5O12 als Anode wurde weiterhin veröffentlicht in US 5,545,468 (Matsushita), US 5,591,546 (Matsushita) and US 6,274,271 (Matsushita). Das US-patent US 5,545,468 patentiert eine wiederaufladbare Lithiumzelle, welche als Anode ein Lithium-Titan-Oxide mit Spinell-Kristallstruktur und einem bestimmten Röntgendiffraktogramm hat. Das Patent fokussiert auf LiTi2O4 und Li4Ti5O12, es wird erläutert daß die Anwendung von Lithium-Titan-Oxide erlaubt, Dendriten zu verhindern. Eine verbesserte Zyklenstabilität wird demonstriert. Das US patent US 5,591,546 veröffentlicht eine wiederaufladbare Batterie mit Lithium-Mangan-Spinell als Kathode und Lithium-Titan- Spinell als Anode. Sowohl die Kathode als auch die Anode haben eine flache Spannungskennlinie, begrenzt von scharfen Kanten. Diese Kanten werden verwendet, um Überladung oder Unterentladung zu vermeiden, wenn Zellen in Reihe geschaltet sind. Das US patent US 5,591,546 veröffentlicht eine wiederaufladbare Lithiumbatterie, welche Li4Ti5O12 oder Mischungen von Li4Ti5O12 mit weiteren Materialien als Anode hat. Das bevorzugte Verhältnis der Anoden- zur Kathodenkapazität ist 0.8-1, das heißt, die Lithiumzellen sind anodenlimited. Eine verbesserte Stabilität der Batterie gegen Überladung bzw. Unterentladung wird berichtet. Keines der Patente löst das Problem der Elektrolytreduktion an der Anode während des Betriebes. Speziell wird nicht beschrieben, daß die Verwendung eines Anodenmaterials mit einer Interkalationsspannung versus Li/Li+ größer als 1 V, einem Elektrolyten, bestehend aus einem wasserstabilen Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolytlösungsmittel mit nichtzyklischen Molekülen und einem 4 V Kathodenmaterial das Fadingproblem lösen kann. Desweiteren wird kein Weg aufgezeigt wie Batterien mit gutem Hochstromverhalten und verbesserter Sicherheit erhalten werden können. Even when using alternative anode materials with a higher intercalation voltage, such as lithium titanium spinels, sufficient suppression of the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode has not been demonstrated. Li 4 Ti 5 O 12 and LiTi 2 O 4 are special representatives of the lithium-titanium spinels. The preparation, structure and electrochemical properties as well as the use of LiTi 2 O 4 and Li 4 Ti 5 O 12 as cathode (versus lithium) in 1.5 V batteries is described in KM Colbow, JR Dahn, RR Haering, Journal of Power Sources 26 (1989) 397-402. The use as a cathode in 1.5 V batteries was patented by US 6,153,336 (Sanyo). The Japanese HEI HEI 6-275263 describes that lithium titanium oxides have excellent charge / discharge properties. The doctoral thesis "Lithium intercalation in titanium based oxides and sulfides" (PhD thesis by Kevin Colbow, University of British Colombia, 1988) describes a lithium cell which has Li 4 Ti 5 O 12 as the anode and a 4 V intercalation material as the cathode. The use of Li 4 Ti 5 O 12 as the anode has also been published in US 5,545,468 (Matsushita), US 5,591,546 (Matsushita) and US 6,274,271 (Matsushita). The US patent US 5,545,468 patents a rechargeable lithium cell, which has an lithium-titanium oxide as anode with a spinel crystal structure and a specific X-ray diffractogram. The patent focuses on LiTi 2 O 4 and Li 4 Ti 5 O 12 , it is explained that the use of lithium titanium oxides allows to prevent dendrites. Improved cycle stability is demonstrated. The US patent US 5,591,546 publishes a rechargeable battery with lithium manganese spinel as the cathode and lithium titanium spinel as the anode. Both the cathode and the anode have a flat voltage characteristic, limited by sharp edges. These edges are used to avoid overcharge or underdischarge when cells are connected in series. The US patent US 5,591,546 publishes a rechargeable lithium battery which has Li 4 Ti 5 O 12 or mixtures of Li 4 Ti 5 O 12 with other materials as the anode. The preferred ratio of the anode to the cathode capacity is 0.8-1, which means that the lithium cells are anode-limited. Improved stability of the battery against overcharging or underdischarge is reported. None of the patents solve the problem of anode electrolyte reduction during operation. Specifically, it is not described that the use of an anode material with an intercalation voltage versus Li / Li + greater than 1 V, an electrolyte consisting of a water-stable electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent with non-cyclic molecules and a 4 V cathode material can solve the fading problem. Furthermore, no way is shown how batteries with good high current behavior and improved safety can be obtained.

Die Verwendung von Li4Ti5O12 als Anodenmaterial in Lithium-Polymer-Batterien ist in US Patent US 5,766,796 (Abraham) beschrieben. Das Patent beschreibt, daß sich auf Kohlenstoff- Anoden in Polymer-Batterien während des Betriebes bei Spannungen versus Li/Li+ unterhalb 1 V ein Film mit schlechter Leitfähigkeit abscheidet, welcher die Batterie passiviert. Es wird beschrieben, daß die Verwendung von Li4Ti5O12 als Anode in einer Polymerbatterie mit PAN- Gel-Elektrolyten die Formierung des Passivierungsfilmes verhindert. Als gellierende Komponente des Elektrolytes wurde LiClO4, gelöst in einer Mischung von PC (Propylenkarbonat) und EC (Ethylenkarbonat) verwendet. Sowohl PC als auch EC sind Elektrolytlösungsmittel, welche nicht aus nicht-zyklischen Molekülen bestehen. Die Daten des Patents (Fig. 5) zeigen, daß ein vermindertes, aber weiterhin signifikantes Fading observiert wird, und somit das Fading-Problem nicht gelöst ist. Das wird auch durch Seok-Gyun Chang et all in Bull. Korean Chem. Soc. 2001 Vol. 22 (5), pg. 481-487 bestätigt, welche beobachten, daß PC schon bei etwa 1.8-2 V versus Li/Li+ reduziert wird, und dabei aktives Lithium verloren geht. EC ist noch unstabiler. Speziell zeigt die zitierte Erfindung nicht, daß die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode während des Betriebes genügend unterdrückt werden kann, wenn ein Anodenmaterial mit einer Interkalationsspannung versus Li/Li+ größer als 1 V, einem Elektrolyten, bestehend aus einem wasserstabilen Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolytlösungsmittel ohne EC bestehend aus nicht-zyklischen Molekülen und ein 4 V Kathodenmaterial verwendet wird. Weiterhin demonstriert US 5,766,796 kein gutes Hochstromverhalten. Das Verhältnis der Kapazitäten bei C/1 und C/5 Entladung ist nur etwa 0.9. The use of Li 4 Ti 5 O 12 as anode material in lithium polymer batteries is described in US Pat. No. 5,766,796 (Abraham). The patent describes that a film with poor conductivity is deposited on carbon anodes in polymer batteries during operation at voltages versus Li / Li + below 1 V, which passivates the battery. It is described that the use of Li 4 Ti 5 O 12 as an anode in a polymer battery with PAN gel electrolytes prevents the formation of the passivation film. LiClO 4 , dissolved in a mixture of PC (propylene carbonate) and EC (ethylene carbonate), was used as the gelling component of the electrolyte. Both PC and EC are electrolyte solvents that are not made up of non-cyclic molecules. The data of the patent ( Fig. 5) show that a reduced but still significant fading is observed, and thus the fading problem is not solved. This is also demonstrated by Seok-Gyun Chang et all in Bull. Korean Chem. Soc. 2001 vol. 22 (5), pg. 481-487 confirms that they observe that PC is already reduced at about 1.8-2 V versus Li / Li + and that active lithium is lost. EC is even more unstable. Specifically, the cited invention does not show that the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode can be sufficiently suppressed during operation if an anode material with an intercalation voltage versus Li / Li + greater than 1 V, an electrolyte consisting of a water-stable electrolyte salt dissolved in one Electrolyte solvent without EC consisting of non-cyclic molecules and a 4 V cathode material is used. Furthermore, US 5,766,796 does not demonstrate good high current behavior. The ratio of the capacities at C / 1 and C / 5 discharge is only about 0.9.

Neben LiTi2O4 or Li4Ti5O12 kann auch modifiziertes Lithium-Titan-Oxid als aktives Anodenmaterial verwendedt werden. Das US-Patent US 6,221,531 (Vaughey) beschreibt die Modifikation von Li4Ti5O12 durch Dotierung mit Mg, Al, Co, Ni usw. Ein möglicher Vorteil ist, daß die modifzierten Materialien eine höhere elektonische Leitfähigkeit haben. Weitere mögliche Modifikationen, wie z. B. Phasengemische, Oberflächenmodifikation, Design von Korngrenzen, bestimmte Morphologien usw. sind möglich und bekannt aus der Literatur. Die Verwendung von modifiziertem Lithium-Titan-Oxide für sich löst nicht das Fadingproblem. In addition to LiTi 2 O 4 or Li 4 Ti 5 O 12 , modified lithium titanium oxide can also be used as the active anode material. US Pat. No. 6,221,531 (Vaughey) describes the modification of Li 4 Ti 5 O 12 by doping with Mg, Al, Co, Ni etc. A possible advantage is that the modified materials have a higher electronic conductivity. Other possible modifications, such as. B. phase mixtures, surface modification, design of grain boundaries, certain morphologies, etc. are possible and known from the literature. The use of modified lithium titanium oxides by itself does not solve the fading problem.

Auch bei der Verwendung von verbesserten Kathodenmaterialien, wie z. B. Modifiziertem Lithium-Mangan-Spinell, ist das Fadingproblem nicht gelöst worden. Lithiumzellen mit Lithium-Mangan-Spinell Kathode und verbesserter Zyklenstabilität sind zum Beispiel in US Patent US 5,084,366 (Matsushita) beschrieben. Das Patent berichtet, daß die Verwendung modifizierter Spinelle die Zyklenstabilität erhöht. Das US Patent US 5,783,328 (Duracell) beschreibt, daß die Zyklenstabilität von Lithiumzellen mit Lithium-Mangan-Spinell verbessert, als auch der Kapazitätsverlust während Lagerung verringert werden kann. Wahrscheinlich beruht die beschriebene Erfindung darauf, daß das normalerweise verwendete Elektrolytsalz LiPF6 nicht stabil in Kontakt mit Wasser ist. Es reagiert mit Wasser zu HF, LiF und POF3-Gas. Even when using improved cathode materials, such as. B. Modified lithium manganese spinel, the fading problem has not been solved. Lithium cells with a lithium manganese spinel cathode and improved cycle stability are described, for example, in US Pat. No. 5,084,366 (Matsushita). The patent reports that the use of modified spinels increases cycle stability. US Pat. No. 5,783,328 (Duracell) describes that the cycle stability of lithium cells with lithium-manganese spinel is improved, and the loss of capacity during storage can be reduced. The invention described is probably based on the fact that the normally used electrolyte salt LiPF 6 is not stable in contact with water. It reacts with water to form HF, LiF and POF 3 gas.

HF reagiert mit Li+ zu LiF und einem reaktiven Proton. Das Proton könnte zur Elektrolytreduktion beitragen. Außerdem wird vermutet, daß HF die Kathoden schädigt (vereinfacht HF + LiM2O4 → LiF + HMn2O4). Deshalb ist es vorteilhaft, den Anteil an HF in der Lithiumzelle zu verringern. Beschrieben wird eine basische Oberflächenmodifikation des Spinelle, welche als Protonen-Falle funktioniert. Die beschriebenen Kathodenmodifikationen verringern im besten Fall einzelne Aspekte des Fadingproblems, lösen es aber nicht genügend, weil die wesentliche Ursache, die Elektrolytreduktion an der Anode, nicht verhindert ist. HF reacts with Li + to LiF and a reactive proton. The proton could contribute to electrolyte reduction. It is also assumed that HF damages the cathodes (simplified HF + LiM 2 O 4 → LiF + HMn 2 O 4 ). It is therefore advantageous to reduce the proportion of HF in the lithium cell. A basic surface modification of the spinel is described, which functions as a proton trap. In the best case, the described cathode modifications reduce individual aspects of the fading problem, but do not solve it sufficiently because the essential cause, the electrolyte reduction at the anode, is not prevented.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik sind weiterhin keine Lithiumbatterien bekannt, welche bei sehr hohen Raten (Ladung mit 30C und Entladung mit 60C) mindestens 50% der vollen Energiedichte liefern und gleichzeitig eine hohe Zyklenstabilität erlauben. Lade- und Entladeraten sind definiert als C-Raten. Eine C-Rate ist der inverse Teil der Zeit in Stunden, welche benötigt würde, um bei gegebener Stromdichte die Zelle vollständig zu laden. 30C entspricht einer Stromdichte, welche die Zelle in 2 Minuten vollständig laden würde. Derartige Lade- und Entladeraten bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität können durch Superkapazitoren erreicht werden, jedoch ist deren Energiedichte unzureichend. Deshalb sind wiederaufladbare Lithiumbatterien wünschenswert, die mit sehr hohen Raten entladen und geladen werden können, eine hohe Energiedichte haben und eine hohe Zyklenstabilität aufweisen. In the current state of the art, no lithium batteries are known at very high rates (charge at 30C and discharge at 60C) at least 50% of the full Deliver energy density and at the same time allow high cycle stability. Loading and Discharge rates are defined as C rates. AC rate is the inverse of time in hours, which would be required to fully charge the cell at a given current density. 30C corresponds to a current density that the cell would fully charge in 2 minutes. such Charging and discharging rates with high cycle stability can be achieved with super capacitors can be achieved, however, their energy density is insufficient. That is why they are rechargeable Lithium batteries are desirable which are discharged and charged at very high rates can have a high energy density and a high cycle stability.

US Patent US 5,300,376 (E. J. Plichta) beschreibt die Anwendung von Acetonitril als Elektrolytlösungsmittel, um ein gutes Hochstromverhalten zu erreichen. Im Patent werden einfache Oxide (WO2 oder MoO2), Sulfide oder Kohlenstoff als Anoden beschrieben. Lithium- Titan-Oxide ist nicht erwähnt. Als Kathoden sind LiCoO2 und LiNiO2 veröffentlicht, aber nicht Li-Mn-Spinell. Der Erfinder fokussiert nicht auf Kathoden und Anodenmaterialien, welche ein gutes Hochstromverhalten ermöglichen. Es wird speziell nicht beschrieben, daß die Interkalationsspannung an der Anode größer als 1 V versus Li/Li+ sein muß (Die vom Kohlenstoff ist kleiner) und daß wasserstabile Elektrolytsalz verwendet werden müssen, um die Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode während des Betriebes zu vermeiden. Deshalb demonstriert die erwähnte Erfindung keine Lithiumzelle mit guter Zyklenstabilität, verminderter Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode und gleichzeitig gutem Hochstromverhalten. US Pat. No. 5,300,376 (EJ Plichta) describes the use of acetonitrile as an electrolyte solvent in order to achieve good high-current behavior. The patent describes simple oxides (WO 2 or MoO 2 ), sulfides or carbon as anodes. Lithium titanium oxide is not mentioned. LiCoO 2 and LiNiO 2 are published as cathodes, but not Li-Mn spinel. The inventor does not focus on cathodes and anode materials that enable good high current behavior. It is specifically not described that the intercalation voltage at the anode must be greater than 1 V versus Li / Li + (that of the carbon is smaller) and that water-stable electrolyte salt must be used to reduce the electrolyte at the lithium intercalated anode during the Avoid operation. Therefore, the mentioned invention does not demonstrate a lithium cell with good cycle stability, reduced electrolyte reduction at the lithium intercalated anode and, at the same time, good high current behavior.

Ein gutes Hochstromverhalten bei gleichzeitig hoher Zyklenstabilität erfordert einen Elektrolyten mit genügend hoher Ionischer Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Stabilität des Elektrolyten gegen Reduktion an der Lithium interkalierten Anode während des Betriebes. Beispiele des Standes der Technik verwenden dazu Lösungsmittel mit hoher ionischer Leitfähigkeit, die außerdem relativ stabile SEI-Filme auf der Anode bilden. Das US Patent US 4,737,424 (NTT) beschreibt zum Beispiel Lithiumzellen mit Elektrolytlösungsmitteln, wie EC/THF, EC/AN oder EC/Diethoxyethane. Diese Elektrolyte verhindern nicht die Reduktion an der Anode, wegen des EC Anteil formen sie relativ stabile SEI-Filme. US 4,737,424 (NTT) fokussiert auf amorphe Kathoden und Lithium-Metall als Anode. Lithium-Metall hat eine Spannung von OV versus Li/Li+. Bei dieser Spannung ist keiner der oben genannten Elektrolyte stabil gegen Reduktion. Das US Patent US 4,770,959 (Daiking Kogyo) beschreibt einen Elektrolyten welcher LiPF6 gelöst in einer Mischung von Gamma-Butyrolacton und Acetonitrile ist. Der Elektrolyt erlaubt ein verbessertes Hochstromverhalten in Lithiumzellen, welche eine Li-Metallanode und ein Fluor-Kohlenstoffkathode haben. Auch in diesem Fall ist die Elektrolytreduktion an der Anode nicht verhindert. Good high-current behavior with high cycle stability requires an electrolyte with a sufficiently high ionic conductivity and simultaneous stability of the electrolyte against reduction at the lithium intercalated anode during operation. Examples of the prior art use solvents with high ionic conductivity, which also form relatively stable SEI films on the anode. The US patent US 4,737,424 (NTT) describes, for example, lithium cells with electrolyte solvents, such as EC / THF, EC / AN or EC / diethoxyethane. These electrolytes do not prevent the reduction at the anode, because of the EC content they form relatively stable SEI films. US 4,737,424 (NTT) focuses on amorphous cathodes and lithium metal as the anode. Lithium metal has a voltage of OV versus Li / Li + . At this voltage, none of the above-mentioned electrolytes is stable against reduction. US Pat. No. 4,770,959 (Daiking Kogyo) describes an electrolyte which is LiPF 6 dissolved in a mixture of gamma-butyrolactone and acetonitrile. The electrolyte allows improved high-current behavior in lithium cells which have a Li metal anode and a fluorocarbon cathode. In this case, too, the electrolyte reduction at the anode is not prevented.

Die hier presentierte Erfindung löst das Fadingproblem. The invention presented here solves the fading problem.

Die Erfindung basiert darauf, daß (2) und (3) verhindert bzw. stark vermindert werden kann, wenn (1) verhindert bzw. reduziert wird. Die Erfindung betrifft wiederaufladbare Lithiumzellen mit verbesserter Zyklenstabilität und gutem Hochstromverhalten, verwendet in wiederaufladbaren Lithiumbatterien. Die Lithiumzellen bestehen aus einem Anodenfilm, einem Elektrolyten und dem Kathodenfilm. Die verbesserte Zyklenstabilität wird durch die Verwendung eines Elektrolyten und einer Anode erreicht, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet sind, daß der Elektrolyt stabil gegenüber der Reduktion an der Lithiuminterkalierten Anode ist. Speziell enthält der Anodenfilm ein aktives Anoden- Interkalationmaterial mit einer Spannung versus Li/Li+ größer als 1 V, bevorzugt ∼ 1.5 V, wie Li4Ti5O12. Der Elektrolyt ist ein wasserstabiles Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolytlösungsmittel, welches frei von Ethylenkarbonat ist und bevorzugt aus nichtzyklischen Molekülen, wie Acetonitril oder Dimethylkarbonat, besteht. Der Kathodenfilm enthält ein Kathoden-Interkalationsmaterial mit einer Spannung versus Li/Li+ größer als 3.5 V, bevorzugt ∼ 4.2 V, wie Lithium-Mangan-Spinell. Es ist bevorzugt, daß die Lithiumzellen kathodenlimitiert sind. Die Batterie kann mit hoher Rate geladen werden, ohne daß eine kinetische Lithiumabscheidung auftritt. Eine bevorzugte Implementierung der Erfindung sind große wiederaufladbare Lithiumbatterien, bestehend aus Stacks von in Reihe geschalteten bipolaren Platten als auch Lithiumbatterien mit sehr gutem Hochstromverhalten. Derartige Batterien können mindestens 1 Minute mit 30C Raten geladen und mindestens 30 Sekunden mit 60C Raten entladen werden, wobei die jeweilige Arbeitsspannung weniger als 20% von der entsprechenden Spannung des gleichen Ladungszustand bei langsamer Rate abweicht. The invention is based on the fact that (2) and (3) can be prevented or greatly reduced if (1) is prevented or reduced. The invention relates to rechargeable lithium cells with improved cycle stability and good high current behavior, used in rechargeable lithium batteries. The lithium cells consist of an anode film, an electrolyte and the cathode film. The improved cycle stability is achieved by using an electrolyte and an anode, which according to the invention are characterized in that the electrolyte is stable with respect to the reduction at the lithium-intercalated anode. In particular, the anode film contains an active anode intercalation material with a voltage versus Li / Li + greater than 1 V, preferably ∼ 1.5 V, such as Li 4 Ti 5 O 12 . The electrolyte is a water-stable electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent which is free of ethylene carbonate and preferably consists of non-cyclic molecules such as acetonitrile or dimethyl carbonate. The cathode film contains a cathode intercalation material with a voltage versus Li / Li + greater than 3.5 V, preferably ∼ 4.2 V, such as lithium-manganese spinel. It is preferred that the lithium cells are cathode limited. The battery can be charged at a high rate without kinetic lithium deposition occurring. A preferred implementation of the invention are large rechargeable lithium batteries, consisting of stacks of bipolar plates connected in series, and lithium batteries with very good high-current behavior. Such batteries can be charged at 30C rates for at least 1 minute and discharged at 60C rates for at least 30 seconds, the respective working voltage deviating less than 20% from the corresponding voltage of the same charge state at a slow rate.

Im folgenden werden einzelne Aspekte der Erfindung näher erläutert:
Überraschenderweise ist die Stabilität des Elektrolyten gegen Reduktion an der Lithiuminterkalierten Anode während des Betriebes stark verbessert, wenn eine Lithiumzelle verwendet wird, welche als Anodenmaterials ein 1.5 V Material wie Li4Ti5O12, als Elektrolyten ein wasserstabiles Elektrolytsalz wie Li-BETI bzw. LiBF4, gelöst in einem Elektrolytlösungsmittel, bestehend aus nichtzyklischen Molekülen wie DMC oder Acetonitril, und als aktives Kathodenmaterial ein 4 V Material wie Li-Mn-Spinell enthält. Damit sind die Probleme (1)-(6) im Vergleich zur gegenwärtigen Technologie gelöst oder zumindest stark vermindert. Bei einer speziellen Verwirklichung der aktuellen Erfindung wird ein im Vergleich zum Stand der Technik stark verbessertes Hochstromverhalten bei hoher Zyklenstabilitat demonstriert, wenn eine Lithiumzelle verwendet wird, welche als Anodenmaterials ein 1.5 V Material wie Li4Ti5O12, als Elektrolyt ein wasserstabiles Elektrolytsalz wie LiBF4 gelöst in einem Elektrolytlösungsmittel, bestehend aus nichtzyklischen Molekülen wie Aztonitril, und als aktives Kathodenmaterial ein 4 V Material wie Li-Mn-Spinell enthält.
Individual aspects of the invention are explained in more detail below:
Surprisingly, the stability of the electrolyte against reduction at the lithium-intercalated anode during operation is greatly improved if a lithium cell is used which uses a 1.5 V material such as Li 4 Ti 5 O 12 as the anode material and a water-stable electrolyte salt such as Li-BETI or LiBF 4 , dissolved in an electrolyte solvent, consisting of non-cyclic molecules such as DMC or acetonitrile, and containing a 4 V material such as Li-Mn spinel as the active cathode material. Problems (1) - (6) are thus solved or at least greatly reduced in comparison to current technology. In a special implementation of the current invention, a greatly improved high-current behavior with high cycle stability compared to the prior art is demonstrated if a lithium cell is used which uses a 1.5 V material such as Li 4 Ti 5 O 12 as the anode material and a water-stable electrolyte salt as the electrolyte LiBF 4 dissolved in an electrolyte solvent, consisting of non-cyclic molecules such as aztonitrile, and containing a 4 V material such as Li-Mn spinel as the active cathode material.

Wünschenswert sind Batterien mit geringer Selbstentladung. Selbstentladung wird durch Nebenreaktionen verursacht. Die wichtigste Nebenreaktion ist die Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode. Wünschenswert sind Batterien mit geringer Gasentwicklung. Die Gasentwicklung wird wesentlich durch die Reduktion des Elektrolyten an der Lithiuminterkalierten Anode verursacht. Wünschenswert sind Batterien mit hoher Sicherheit, speziell bei thermischer Belastung. Ein katastrophales Ereignis ist, wenn eine Batterie zum "thermalrunaway" kommt. Der "thermalrunaway" entsteht, wenn exotherme Reaktionen die Batterie aufheizen, was die Reaktionsrate der Exothermen Reaktionen beschleunigt. Letztendlich kann die Batterie explodieren. Die exothermen Reaktionsraten können bestimmt werden, indem die Wärmeentwicklung in einem ARC (Accelerating Rate Coulometer) unter adjabatischen Bedingungen gemessen wird. Speziell kann die Reaktivität der Lithium-deintercalierten Kathode bzw. der Lithium-Interkalierten Anode in Kontakt mit dem Elektrolyten gemessen werden. Eine elektrochemische Zelle hat erhöhte Sicherheitseigenschaften, wenn die geladene Zelle eine geringe Reaktivität bei erhöhter Temperatur zeigt. Die zuerst auftretende exotherme Reaktion ist die Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode, welche den "thermal runaway" auslöst. Wünschenswert sind Batterien mit hoher Zyklenstabilität. Eine wesentliche Ursache für den Verlust von reversibler Kapazität ist der Verlust von aktivem Lithium durch Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode. Eine weitere Ursache ist der Zerfall der Kathode. Reaktionsprodukte der Elektrolytreduktion nehmen an der Zerstörung des Kathodenmaterials teil. Wünscheswert sind Batterien ohne Aufbau von Polarisations- bzw. Impedanzfilmen. Eine wesentliche Ursache für Impedanz-Filme sind Reaktionsprodukte der Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode, welche zur Kathode diffundieren und sich dort als Filme mit schlechter Leitfähigkeit abscheiden. Es kann summiert werden, daß eine Unterdrückung der Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode die Selbstentladung, Gasentwicklung und Kathodendegradation verringert, die Sicherheit und Zyklenstabilität verbessert, und den Aufbau von Impedanzfilmen vermindert. Batteries with low self-discharge are desirable. Self-discharge is through Side reactions caused. The main side reaction is the reduction of the electrolyte the lithium intercalated anode. Batteries with low gas generation are desirable. The gas evolution becomes essential through the reduction of the electrolyte at the Lithium intercalated anode caused. Batteries with high security are desirable, especially with thermal load. A catastrophic event is when a battery is used "thermalrunaway" is coming. The "thermal runaway" arises when exothermic reactions affect the battery heat up, which speeds up the reaction rate of the exothermic reactions. Ultimately, can the battery explode. The exothermic reaction rates can be determined by the Heat development in an ARC (Accelerating Rate Coulometer) under adjabatic Conditions is measured. Specifically, the reactivity of the lithium deintercalated Cathode or the lithium intercalated anode measured in contact with the electrolyte become. An electrochemical cell has increased safety properties when charged Cell shows low reactivity at elevated temperature. The first exothermic Reaction is the reduction of the electrolyte at the lithium intercalated anode, which "thermal runaway" triggers. Batteries with high cycle stability are desirable. A The main reason for the loss of reversible capacity is the loss of active Lithium through electrolyte reduction at the lithium intercalated anode. Another cause is the decay of the cathode. Reaction products of the electrolyte reduction take part in the Destruction of the cathode material. Batteries without the construction of are desirable Polarization or impedance films. A major cause of impedance films are Reaction products of the electrolyte reduction on the lithium intercalated anode, which are used for Diffuse cathode and deposit there as films with poor conductivity. It can be summed that suppression of electrolyte reduction intercalated on the lithium Anode reduces self-discharge, gas evolution and cathode degradation, safety and improved cycle stability, and reduced build-up of impedance films.

Bevorzugte Anodenmaterialien haben eine Deinterkalations-Spannung versus Li/Li+ zwischen 1-2 V, sie müssen weiterhin eine hohe Kapazität, gute Zyklenstabilität und gute Kinetik aufweisen. Ist die Spannung kleiner, wird die Elektrolyt-Reduktion an der Lithium interkalierten Anode nicht genügend unterdrückt. Ist die Spannung größer, dann verringert sich die Energiedichte der Lithiumzelle zu viel. Li4Ti5O12 ist mit einer Spannung versus Li/Li+ von 1.57 V, der Kapazität von 170 mAh/g und der guten Kinetik ein besonders bevorzugtes Anodenmaterial. Preferred anode materials have a deintercalation voltage versus Li / Li + between 1-2 V, they must also have a high capacity, good cycle stability and good kinetics. If the voltage is lower, the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode is not sufficiently suppressed. If the voltage is higher, the energy density of the lithium cell decreases too much. Li 4 Ti 5 O 12 is a particularly preferred anode material with a voltage versus Li / Li + of 1.57 V, the capacity of 170 mAh / g and the good kinetics.

Wünschenswert sind Batterien mit gutem Hochstromverhalten. Dafür ist (1) ein Elektrolyt mit hoher ionischer Leitfähigkeit, (2) ein Kathodenmaterial mit guter Kinetik, (3) ein Anodenmaterial mit guter Kinetik, (4) ein Anodenmaterial mit erhöhter Spannung versus Li/Li+ und (5) eine geeignete Elektrodenmorphologie notwendig. Gleichzeitig muß der Elektrolyte stabil gegen Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode sein. Besonders bevorzugte Elektrolyte sind LiBF4 in Acetonitril oder Li-BETI in DMC. Ein bevorzugtes Kathodenmaterial mit guter Kinetik ist modifizierter Lithium-Mangan Spinell, besonders bevorzugt ist Lithium-reicher Spinell Li[LixMn1-x-yMy]O2 zusätzlich dotiert mit Cr, Ni oder Co. Ein bevorzugtes Anodenmaterial mit guter Kinetik ist Li4Ti5O12. Dieses Material erlaubt wegen der erhöhten Spannung von 1.57 V versus Li/Li+ hohe Batterie-Laderaten, ahne daß die Spannung, verursacht durch Polarisation des Elektrolyten an der Anode, lokal unter Null sinkt, welches ungewünschte Lithiumabscheidung oder kinetische Elektrolytereduktion verursach. Die Kinetik des aktiven Kathoden- und Anodenmaterials hängt wesentlich von der BET Oberfläche ab. Die BET Oberfläche eines aktiven Kathoden- oder Anodenmaterials entspricht (wenn keine Nanoporen vorhanden sind) etwa der Oberfläche, die vom Elektrolyten benetzt werden kann. Die BET Oberfläche wird durch Gas-Adsorption gemessen. Da die typische Zeit für den Lithiumtransport proportional zum Quadrat der typischen Diffusionslänge ist, erlauben Materialien mit kleinen primären Partikeln und damit größerer BET Oberfläche eine bessere Kinetik. Andererseits vergrößert eine zu große BET Oberfläche das Area, wo ungewünschte Nebenreaktionen stattfinden können. Die Dicke, Porösität und Turtoisität des Anoden- und Kathodenfilmes bestimmen ebenfalls das Hochstromverhalten. Wenn der Lithiumtransport im Elektrolyten Rate-limitierend ist, dann wird durch dickere Elektroden die Leistungsdichte pro cm2 erhöht, während dünnere Elektroden die Leistung pro Masse Aktivmaterial erhöht. Zu kleine Porösitäten verlangsamen den Tarnsport von Lithium im Elektrolyten, zu große Porösitäten verringern die Energiedichte. Die Turtoisität sollte so klein wie möglich sein. Batteries with good high current behavior are desirable. For this purpose, (1) an electrolyte with high ionic conductivity, (2) a cathode material with good kinetics, (3) an anode material with good kinetics, (4) an anode material with increased voltage versus Li / Li + and (5) a suitable electrode morphology necessary. At the same time, the electrolyte must be stable against electrolyte reduction at the lithium intercalated anode. Particularly preferred electrolytes are LiBF 4 in acetonitrile or Li-BETI in DMC. A preferred cathode material with good kinetics is modified lithium-manganese spinel; lithium-rich spinel Li [Li x Mn 1-xy M y ] O 2 is particularly preferably additionally doped with Cr, Ni or Co. A preferred anode material with good kinetics is Li 4 Ti 5 O 12 . Due to the increased voltage of 1.57 V versus Li / Li +, this material allows high battery charging rates, without the voltage, caused by polarization of the electrolyte at the anode, dropping locally below zero, which causes undesired lithium deposition or kinetic electrolyte reduction. The kinetics of the active cathode and anode material largely depend on the BET surface. The BET surface area of an active cathode or anode material corresponds (if no nanopores are present) to approximately the surface area that can be wetted by the electrolyte. The BET surface area is measured by gas adsorption. Since the typical time for lithium transport is proportional to the square of the typical diffusion length, materials with small primary particles and thus a larger BET surface allow better kinetics. On the other hand, a BET surface area that is too large increases the area where undesired side reactions can take place. The thickness, porosity and turtoisity of the anode and cathode films also determine the high current behavior. If the lithium transport in the electrolyte is rate-limiting, then thicker electrodes increase the power density per cm 2 , while thinner electrodes increase the power per mass of active material. Porosities that are too small slow down the camouflage of lithium in the electrolyte, porosities that are too large reduce the energy density. The tourism should be as small as possible.

Je nach Anwendung können verschiedene Kathodenmaterialien bevorzugt sein. Batterien mit höherer Energiedichte werden erreicht, wenn Kathodenmaterialien mit hoher Kapazität oder mit hoher Spannung versus Li/Li+ verwendet werden. Ein bevorzugtes Material mit hoher Kapazität ist LixMyO2 mit einer Schicht-Kristallstruktur mit x ∼ y ∼ 1 und M im wesentlichen bestehend aus Co, Ni und/oder Mn, wie z. B. LiCoO2, LiNi0.8Co0.2O2 oder Li[Li0.05{(Ni1/2Mn1/2)5/6Co1/6}]O2. Bevorzugte Materialien mit hoher Spannung sind modifizierte Spinelle wie LiMn1.5Ni0.5O4 oder Olivin-Phosphate wie LiCoPO4. Bevorzugte Kathodenmaterialien für Batterien mit sehr hoher Sicherheit sind Olivin-Phosphate wie LiFePO4. Bevorzugt für Batterien mit sehr gutem Hochstromverhalten und hoher Sicherheit ist modifizierter Lithium-Mangan-Spinell. Desweiteren zeigt eine Lithiumzelle mit modifizierter Lithium-Mangan-Spinell-Kathode und Lithium-Titan-Spinell-Anode eine flache Spannungskennlinie begrenzt von scharfen Kanten. Depending on the application, different cathode materials may be preferred. Batteries with higher energy density are achieved when using cathode materials with high capacity or with high voltage versus Li / Li + . A preferred material with high capacity is Li x M y O 2 with a layered crystal structure with x ∼ y ∼ 1 and M consisting essentially of Co, Ni and / or Mn, such as. B. LiCoO 2 , LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 or Li [Li 0.05 {(Ni 1/2 Mn 1/2 ) 5/6 Co 1/6 }] O 2 . Preferred materials with high tension are modified spinels such as LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 or olivine phosphates such as LiCoPO 4 . Preferred cathode materials for batteries with very high security are olivine phosphates such as LiFePO 4 . Modified lithium manganese spinel is preferred for batteries with very good high current behavior and high safety. Furthermore, a lithium cell with a modified lithium manganese spinel cathode and lithium titanium spinel anode shows a flat voltage characteristic delimited by sharp edges.

Diese Kennlinie ist vorteilhaft, um Überladung oder Unterentladung von Zellen, die in Reihe geschaltet sind, zu vermeiden. This characteristic is advantageous in order to overcharge or underdischarge cells in series are to be avoided.

Lithiumzellen könen anodenlimitiert, kathodenlimitiert oder "balanced" sein. Um die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode zu vermeiden, ist es günstig, daß die Anode niemals völlig mit Lithium gesättigt ist. Das wird erreicht, indem die Zelle kathodenlimitiert ist. Ein besonders bevorzugtes Verhältnis der Kathodenkapazität zur Anodenkapazität ist 0.7-0.95. Das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhältnis ist der Quotient der spezifischen Lithium-Deinterkalations Kapazität des Kathodenmaterials multipliziert mit der Kathodenbeladung und der spezifischen Lithium-Interkalations-Kapazität des Anodenmaterials multipliziert mit der Anodenbeladung. Lithium cells can be anode limited, cathode limited or "balanced". To the To avoid electrolyte reduction at the lithium intercalated anode, it is advantageous that the Anode is never completely saturated with lithium. That is accomplished by the cell is cathode limited. A particularly preferred ratio of the cathode capacity to Anode capacity is 0.7-0.95. The cathode to anode capacity ratio is the quotient of the specific lithium deintercalation capacity of the cathode material multiplied by the Cathode loading and the specific lithium intercalation capacity of the anode material multiplied by the anode load.

In kathodenlimitierten Zellen verringert sich die reversible Kapazität, wenn aktives Lithium durch die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode verloren geht. Deshalb weisen Lithiumzellen, welche eine hohe Zyklenstabilität haben, eine hohe Stabilität des Elektrolyten gegen Reduktion an der Anode auf. Das ist nicht der Fall, falls die Zelle anodenlimitiert ist, oder die Kathode eine große irreversible Kapazität hat. Eine solche Zelle kann (bis das zusätzliche Lithium der Kathode verbraucht ist) eine hohe Zyklenstabilität für eine begrenzte Zahl von Zykeln aufweisen. Allerdings bedeutet das nicht, daß die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode verhindert ist. Bei solchen Zellen ist trotz der Zyklenstabilität Gasentwicklung und hohe Selbstentladung möglich. In cathode-limited cells, the reversible capacity decreases when active lithium is lost due to the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode. Therefore have lithium cells, which have a high cycle stability, a high stability of the Electrolyte against reduction at the anode. That is not the case if the cell is anode limited, or the cathode has a large irreversible capacity. Such a cell can (until the additional lithium of the cathode is used up) a high cycle stability for a have a limited number of cycles. However, that does not mean that the Electrolyte reduction at the lithium intercalated anode is prevented. With such cells gas development and high self-discharge possible despite the cycle stability.

Geeignete Elektrolyte sind flüssige Elektrolyte oder Gel-Polymere, gelliert mit einem flüssigen Elektrolyten. Bevorzugt sind Elektrolyte, die eine hohe Stabilität gegenüber Reduktion an der Lithium interkalierten Anode aufweisen. Solche Elektrolyte bestehen aus einem Elektrolytlösungsmittel ohne EC (Ethylenkarbonate) und einem wasserstabilen Elektrolytsalz. Typische Beispiele für Elektrolytlösungsmittel sind PC, DMC, DEC, EMC oder Tetrahydrofuran (THF), außerdem γ-Butyrolactone oder Nitrile wie Acetonitrile (AN). Besonders bevorzugt sind Lösungsmittel mit nicht-zyklischen Molekülen wie DMC oder AN. Nicht-zyklische Moleküle können im Gegensatz zu zyklischen nicht durch Ring-Öffnung reduziert werden. Bevorzugte wasserstabile Elektrolytsalze sind zum Beispiel LiBF4, Li-BETI (LiN(SO2C2F5)2, LiClO4 or LIPAF (LiPF3(C2F5)3. Nichtstabile Salze wie LiPF6 werden vermieden. Suitable electrolytes are liquid electrolytes or gel polymers gelled with a liquid electrolyte. Electrolytes which have a high stability towards reduction at the lithium intercalated anode are preferred. Such electrolytes consist of an electrolyte solvent without EC (ethylene carbonates) and a water-stable electrolyte salt. Typical examples of electrolyte solvents are PC, DMC, DEC, EMC or tetrahydrofuran (THF), as well as γ-butyrolactones or nitriles such as acetonitrile (AN). Solvents with non-cyclic molecules such as DMC or AN are particularly preferred. In contrast to cyclic molecules, non-cyclic molecules cannot be reduced by ring opening. Preferred water-stable electrolyte salts are, for example, LiBF 4 , Li-BETI (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiClO 4 or LIPAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3. Non-stable salts such as LiPF 6 are avoided.

Die Anoden- bzw. Kathodenfilme enthalten neben dem aktiven Elektrodenmaterial typischerweise Binder wie PVDF oder PVDF-HFP oder SBR oder EPDM, desweiteren sind Leitadditive, typischerweise Ruß oder Graphit, enthalten. Falls ein flüssiger Elektrolyt verwendet wird, ist es vorteilhaft, kleine Konzentrationen von Binder und Leitadditive zu verwenden. Dadurch wird die Porösität erhöht, welches den Transport im flüssigen Elektrolyten verbessert. Desweiteren würden größere Mengen von Ruß oder Graphit die Oberfläche, auf welcher Nebenreaktionen stattfinden können, zu stark vergrößern. The anode or cathode films contain the active electrode material typically binders such as PVDF or PVDF-HFP or SBR or EPDM Lead additives, typically carbon black or graphite. If a liquid electrolyte is used, it is advantageous to add small concentrations of binder and lead additives use. This increases the porosity, which increases transport in the liquid electrolyte improved. Furthermore, larger amounts of soot or graphite would cover the surface which side reactions can take place increase too much.

In normalen Lithium-Ion-Zellen ist das Substrate für die Anode Kupfer, und das Substrate für die Kathode ist Aluminium. Werden erfindungsgemäß Anodenmaterialien wie Li4Ti5O12 mit einer Interkalations-Spannung versus Li/Li+ größer als 1 V verwendet, kann auch für die Anode Aluminium verwendet werden. In diesem Fall ist es möglich, Bipolare Platten zu verwenden. Dabei befinden sich der Anoden- und Kathodenfilm deckungsgleich auf gegenüberliegenden Seiten des Aluminium-Substrates. Um höhere Spannungen zu erreichen, können Stacks von bipolaren Platten, separiert von einem Elektrolyten, in Reihe geschaltet werden. Wegen der hohen Sicherheit von Lithiumzellen mit Li4Ti5O12 Anoden sind große Batterien möglich. Große Batterien bestehen vorteilhaft aus Stacks von 5-100 bipolare Platten mit großer Fläche von 100-4000 cm2. Ein verminderter Kontaktwiderstand zwischen Metallsubstrate und Elektrodenfilm kann erreicht werden durch "priming" z. B. Durch Beschichtung des Metallsubstrates mit dünnen Schichten von Ruß oder Graphit. In normal lithium-ion cells, the substrate for the anode is copper and the substrate for the cathode is aluminum. If anode materials such as Li 4 Ti 5 O 12 with an intercalation voltage versus Li / Li + greater than 1 V are used according to the invention, aluminum can also be used for the anode. In this case it is possible to use bipolar plates. The anode and cathode films are congruent on opposite sides of the aluminum substrate. To achieve higher voltages, stacks of bipolar plates, separated from an electrolyte, can be connected in series. Large batteries are possible due to the high security of lithium cells with Li 4 Ti 5 O 12 anodes. Large batteries advantageously consist of stacks of 5-100 bipolar plates with a large area of 100-4000 cm 2 . A reduced contact resistance between metal substrates and electrode film can be achieved by "priming" z. B. By coating the metal substrate with thin layers of soot or graphite.

Im folgenden werden ausgewählte Aspekte der Erfindung in Beispielen demonstriert. In the following, selected aspects of the invention are demonstrated in examples.

Beispiel 1example 1

Tabelle 1A zeigt Ergebnisse zum Langzeit-Zykeln von 2 Arten von Lithiumzellen bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden-Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden-Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten bestehend aus einem Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel. Die Zellen sind dadurch gekenzeichnet, daß

  • - das aktive Anoden Material Li4Ti5O12 mit einer BET-Oberfläche von 2.6 m2/g ist,
  • - das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial Li[Lix(Cr0.05Mn0.95)1-x]O4 (x ∼ 0.03) mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g ist
  • - der Elektrolyt ein 1M Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
    das Lösungsmittel Acetonitril bzw. Dimethylkarbonat ist und
    das Elektrolytsalz LiBF4 bzw. Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2) ist,
wobei der Kathodenfilm eine Beladung von 20 mg/cm2 hat und das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhaltnis 0.9 ist. Table 1A shows results for long-term cycling of 2 types of lithium cells consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent. The cells are characterized in that
  • the active anode material is Li 4 Ti 5 O 12 with a BET surface area of 2.6 m 2 / g,
  • - The active cathode intercalation material is Li [Li x (Cr 0.05 Mn 0.95 ) 1-x ] O 4 (x ∼ 0.03) with a BET surface area of 3 m 2 / g
  • - The electrolyte is a 1M electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, whereby
    the solvent is acetonitrile or dimethyl carbonate and
    the electrolyte salt is LiBF 4 or Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ),
wherein the cathode film has a loading of 20 mg / cm 2 and the cathode to anode capacity ratio is 0.9.

Da die Zelle n Kathodenlimitiert sind, ist die Rate des Verlusts von reversibler Kapazität ein Maß für die Rate der Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode. Um die Reduktionsrate zu erhöhen, wurden die Batterien bei 55°C gezykelt. Ein einzelner Zykel dauerte etwa 4 Stunden. Tabelle 1A Langzeit-Zykeln von Lithiumzellen bei 55°C. Kapazitäten sind per g aktivem Kathodenmaterial

Because the cells are n cathode limited, the rate of reversible capacity loss is a measure of the rate of electrolyte reduction at the lithium intercalated anode. To increase the reduction rate, the batteries were cycled at 55 ° C. A single cycle took about 4 hours. Table 1A Long-term cycling of lithium cells at 55 ° C. Capacities are per g of active cathode material

Vergleichendes Beispiel 1Comparative Example 1

Tabelle 1B zeigt Ergebnisse zum Langzeit-Zykeln von 2 Arten von Lithiumzellen bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden-Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten bestehend aus einem Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt- Lösungsmittel. Die Zellen sind dadurch gekenzeichnet daß

  • - das aktive Anoden Material Li4Ti5O12 mit einer BET-Oberfläche von 2.6 m2/g ist,
  • - das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial Li[Lix(Cr0.05Mn0.95)1-x]O4 (x ∼ 0.03) mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g ist
  • - der Elektrolyt ein 1M Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist wobei
    das Lösungsmittel zyklische Moleküle enthält oder
    das Elektrolytsalz nicht wasserstabil ist,
wobei der Kathodenfilm eine Beladung von 20 mg/cm2 hat und das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhaltnis 0.9 ist. Table 1B shows results for long-term cycling of 2 types of lithium cells consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent. The cells are characterized in that
  • the active anode material is Li 4 Ti 5 O 12 with a BET surface area of 2.6 m 2 / g,
  • - The active cathode intercalation material is Li [Li x (Cr 0.05 Mn 0.95 ) 1-x ] O 4 (x ∼ 0.03) with a BET surface area of 3 m 2 / g
  • - The electrolyte is a 1M electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent
    the solvent contains cyclic molecules or
    the electrolyte salt is not water-stable,
wherein the cathode film has a loading of 20 mg / cm 2 and the cathode to anode capacity ratio is 0.9.

Da die Zellen Kathodenlimitiert sind, ist die Rate des Verlust von reversibler Kapazität ein Maß für die Rate der Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode. Um die Reduktionsrate zu erhöhen, wurden die Batterien bei 55°C gezykelt. Ein einzelner Zykel dauerte etwa 4 Stunden. Tabelle 1B Tabelle 1A Langzeit-Zykeln von Lithiumzellen bei 55°C. Kapazitäten sind per Gramm aktivem Kathodenmaterial

Because the cells are cathode limited, the rate of reversible capacity loss is a measure of the rate of electrolyte reduction at the lithium intercalated anode. To increase the reduction rate, the batteries were cycled at 55 ° C. A single cycle took about 4 hours. Table 1B Table 1A Long-term cycling of lithium cells at 55 ° C. Capacities are per gram of active cathode material

Der Vergleich von 1A mit 1B zeigt, daß die Rate der Elektrolytreduktion an der Lithiuminterkalierten Anode entsprechend der Erfindung stark verringert ist, wenn nicht-zyklische Elektrolyt-Lösungsmittel und wasserstabile Salze verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode nicht genügend unterdrückt, wenn ein nicht wasserstabiles Salz wie LiPF6 oder ein Lösungsmittel mit zyklischen Molekülen verwendet wird. Comparison of Figure 1A with Figure 1B shows that the rate of electrolyte reduction at the lithium intercalated anode according to the invention is greatly reduced when non-cyclic electrolyte solvents and water stable salts are used. In contrast, the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode is not sufficiently suppressed when a non-water-stable salt such as LiPF 6 or a solvent with cyclic molecules is used.

Beispiel 2Example 2

Tabelle 2 zeigt technische Daten einer wiederaufladbaren Lithiumzelle bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden-Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden-Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten bestehend aus einem Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel. Die Zelle ist dadurch gekennzeichnet daß

  • - das aktive Anoden Material Li4Ti5O12 mit einer BET-Oberfläche von 2.6 m2/g ist,
  • - das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial Li[Lix(Cr0.05Mn0.95)1-x]O4 (x ∼ 0.03) mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g ist
  • - der Elektrolyt ein 1M Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
    das Lösungsmittel Acetonitril ist und
    das Elektrolytsalz LiBF4 ist,
wobei der Kathodenfilm eine Beladung von 12 mg/cm2 hat und das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhältnis 0.9 ist. Tabelle 2 Technische Daten der Lithiumzelle erhalten während verschiedener konstanter Entladeströme. Eine 1C-Rate war definiert als 100 mA je Gramm aktivem Kathodenmaterials. Spezifische Daten sind per Gramm aktiven Kathodenmaterials

Table 2 shows technical data of a rechargeable lithium cell consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent. The cell is characterized in that
  • the active anode material is Li 4 Ti 5 O 12 with a BET surface area of 2.6 m 2 / g,
  • - The active cathode intercalation material is Li [Li x (Cr 0.05 Mn 0.95 ) 1-x ] O 4 (x ∼ 0.03) with a BET surface area of 3 m 2 / g
  • - The electrolyte is a 1M electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, whereby
    the solvent is acetonitrile and
    the electrolyte salt is LiBF 4 ,
wherein the cathode film has a loading of 12 mg / cm 2 and the cathode to anode capacity ratio is 0.9. Table 2 Technical data of the lithium cell obtained during various constant discharge currents. A 1C rate was defined as 100 mA per gram of active cathode material. Specific data are per gram of active cathode material

Die wiederaufladbare Lithiumzelle des Beispiels erreicht 76% der Energiedichte (verglichen zur Energiedichte bei langsamer 2C Entladung) bei einem konstanten Entladestrom von 5300 mA je Gramm aktiven Kathodenmaterials was einer 53C Rate entspricht. Der Entladestrom von 5300 mA/g konnte für 59.8 Sekunden aufrecht erhalten werden, bis die untere Spannung von 1.5 V unterschritten wurde. Dabei wurden 88% der Kapazität (verglichen zur Kapazität (mAh/g) bei langsamer 2C Entladung) erreicht. Die Spezifische Leistungsdichte (Leistung per aktiver Kathodenmasse), die bei 53C erreicht wurde war 11.5 kW/kg. The rechargeable lithium cell of the example reaches 76% of the energy density (compared to the Energy density with slow 2C discharge) with a constant discharge current of 5300 mA each Grams of active cathode material which corresponds to a 53C rate. The discharge current of 5300 mA / g could be maintained for 59.8 seconds until the lower voltage of 1.5 V was undercut. 88% of the capacity (compared to the capacity (mAh / g) was added slow 2C discharge) reached. The specific power density (power per active Cathode mass) achieved at 53C was 11.5 kW / kg.

Beispiel 3AExample 3A

Berechnung der Energie- und Leistungsdichte einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie. Die Lithiumbatterie besteht aus Stacks von Bipolaren Platten separiert von elektrolytgefüllten Separatoren. Tabelle 3A zeigt die verwendeten Daten. Tabelle 3A Lithiumbatterie

Calculation of the energy and power density of a rechargeable lithium battery. The lithium battery consists of stacks of bipolar plates separated by electrolyte-filled separators. Table 3A shows the data used. Table 3A Lithium battery

Bei einer Betriebsspannung von 2.5 V und langsamer Entladung wird eine Energiedichte von etwa 80 Wh/kg bzw. 190 Wh/dm3 erreicht, die Kapazität ist 30 Ah/kg bzw. 80 Ah/dm3. Die Angaben sind für eine große Batterie ohne Berücksichtigung von Gehäuse, Stromsammlern, Abdichtungen etc. Wird bei einer 60C Entladung eine Energiedichte von 50% angenommen, dann ist die Leistungsdichte 2.4 kW/kg bzw. 5.8 kW/dm3. Unter diesen Bedingungen ist die Entladung mit 60C Rate für mehr als 30 Sekunden aufrecht erhalten. With an operating voltage of 2.5 V and slow discharge, an energy density of approximately 80 Wh / kg or 190 Wh / dm 3 is achieved, the capacity is 30 Ah / kg or 80 Ah / dm 3 . The information is for a large battery without taking into account the housing, current collectors, seals etc. If an energy density of 50% is assumed for a 60C discharge, the power density is 2.4 kW / kg or 5.8 kW / dm 3 . Under these conditions, the 60C rate discharge is maintained for more than 30 seconds.

Vergleichendes Beispiel 3BComparative Example 3B

Berechnung der Energie- und Leistungsdichte eines Superkapazitors. Der Superkapazitor besteht aus Stacks von Bipolaren Platten mit aktivierten Kohlenstoff-Elektroden separiert von einem elektrolytgefüllten Separator. Tabelle 3B zeigt die verwendeten Daten. Tabelle 3B) Superkapazitor

Calculation of the energy and power density of a supercapacitor. The supercapacitor consists of stacks of bipolar plates with activated carbon electrodes separated by an electrolyte-filled separator. Table 3B shows the data used. Table 3B) Supercapacitor

Der Kapazitor wird bis 2.5 V geladen. Dabei ergibt sich eine spezifische Energiedichte von 9 Wh/kg bzw. 14 Wh/dm3. Die Angaben sind für eine große Batterie ohne Berücksichtigung von Gehäuse, Stromsammlern, Abdichtungen etc. The capacitor is charged up to 2.5 V. This results in a specific energy density of 9 Wh / kg or 14 Wh / dm 3 . The information is for a large battery without taking into account the housing, current collectors, seals, etc.

Der Vergleich von 3A und 3B zeigt, daß die die Lithiumbatterie die Leistungsdichte von 2.4 kW/kg bzw. 5.8 kW/dm3 für mehr als 30 Sekunden unterstützen kann, während der Superkapazitor im theoretischen Maximum die gleichen Leistungsdichten für maximal nur 15 Sekunden (gravimetrisch) bzw 9. Sekunden (volumetrisch) unterstützen kann. Praktisch wird ein Superkapazitor die Leistungsdichten nur für wesentlich kürzere Zeiten unterstützen können, da 100 F/g eine sehr hohe Elektrodenkapazität ist, und weitere praktisch unvermeidbare Energieverlußte nicht berücksichtigt wurden. The comparison of FIGS. 3A and 3B shows that the lithium battery can support the power density of 2.4 kW / kg or 5.8 kW / dm 3 for more than 30 seconds, while the theoretical supercapacitor has the same power densities for a maximum of only 15 seconds (gravimetric ) or 9th seconds (volumetric). In practice, a supercapacitor will only be able to support the power densities for much shorter times, since 100 F / g is a very high electrode capacity and other practically unavoidable energy losses were not taken into account.

Beispiel 4Example 4

Tabelle 4 zeigt Daten über die Zyklenstabilität einer wiederaufladbaren Lithiumzelle während Langzeit-Zykelns mit hohen Raten. Die Zelle besteht aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden-Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten bestehend aus einem Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel. Sie ist dadurch gekenzeichnet, daß

  • - das aktive Anoden Material Li4Ti5O12 mit einer BET-Oberfläche von 2.6 m2/g ist,
  • - das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial Li[Lix(Cr0.05Mn0.95)1-x]O4 (x ∼ 0.03) mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g ist
  • - der Elektrolyt ein 1M Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist wobei
    das Lösungsmittel Acetonitrile ist und
    das Elektrolytsalz LiBF4 ist,
wobei der Kathodenfilm eine Beladung von 12 mg/cm2 hat und das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhaltnis 0.9 ist. Table 4 shows data on the cycle stability of a rechargeable lithium cell during long-term cycling at high rates. The cell consists of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent. It is characterized in that
  • the active anode material is Li 4 Ti 5 O 12 with a BET surface area of 2.6 m 2 / g,
  • - The active cathode intercalation material is Li [Li x (Cr 0.05 Mn 0.95 ) 1-x ] O 4 (x ∼ 0.03) with a BET surface area of 3 m 2 / g
  • - The electrolyte is a 1M electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent
    the solvent is acetonitrile and
    the electrolyte salt is LiBF 4 ,
wherein the cathode film has a loading of 12 mg / cm 2 and the cathode to anode capacity ratio is 0.9.

Die Lithiumzellen von Beispiel 2 wurden bei 20°C weitergezykelt. Als Ladestrom wurde 15C, und als Entladestrom 30C gewählt. Nach jedem Laden und Entladen ruhte die Batterie für 5 Minuten. Jeder Zykel daueret etwa 15 Minuten. Hin und Weder wurde die Kapazität bei langsamer Ladung (0.75C) und Entladung (1.5C) als auch bei sehr schneller Ladung (30C) und Entladung (60C) ermittelt. Tabelle 4 Langzeit-Zykeln einer Lithiumzelle mit gutem Hochstromverhalten

The lithium cells of Example 2 were further cycled at 20 ° C. 15C was selected as the charging current and 30C as the discharging current. After each charge and discharge, the battery was idle for 5 minutes. Each cycle lasts about 15 minutes. The capacity was determined in both cases with slow charge (0.75C) and discharge (1.5C) as well as with very fast charge (30C) and discharge (60C). Table 4 Long-term cycling of a lithium cell with good high current behavior

Die Resultate zeigen für mehr als 1000 Zyklen eine hohe Zyklenstabilität bei Erhaltung eines exzellenten Hochstromverhaltens. Da die Zellen Kathodenlimitiert sind, zeigt die erreichte Zyklenstabilität, daß die Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Anode stark unterdrückt ist. The results show a high cycle stability while maintaining a for more than 1000 cycles excellent high current behavior. Since the cells are cathode limited, the reached shows Cycle stability that the reduction of the electrolyte at the lithium intercalated anode greatly is suppressed.

Beispiel 5Example 5

Tabelle 5 zeigt Daten über das Hochstromverhalten einer wiederaufladbaren Lithiumzelle bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden-Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten bestehend aus Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel. Die Zelle ist dadurch gekenzeichnet daß

  • - das aktive Anoden Material Li4Ti5O12 mit einer BET-Oberfläche von 2.6 m2/g ist,
  • - das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial Li[Lix(Cr0.05Mn0.95)1-x]O4 (x ∼ 0.03) mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g ist
  • - der Elektrolyt ist 1M Elektrolytsalz gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist wobei
    das Lösungsmittel DMC (Dimethylkarbonat) ist und
    das Elektrolytsalz Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2) ist,
wobei der Kathodenfilm eine Beladung von 20 mg/cm2 hat und das Kathoden- zu Anodenkapazitätsverhaltnis 0.9 ist. Tabelle 5A Hochstromverhalten einer Lithiumzelle mit 1M LiBF4 in DMC

Table 5 shows data on the high-current behavior of a rechargeable lithium cell consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent. The cell is characterized in that
  • the active anode material is Li 4 Ti 5 O 12 with a BET surface area of 2.6 m 2 / g,
  • - The active cathode intercalation material is Li [Li x (Cr 0.05 Mn 0.95 ) 1-x ] O 4 (x ∼ 0.03) with a BET surface area of 3 m 2 / g
  • - The electrolyte is 1M electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent
    the solvent is DMC (dimethyl carbonate) and
    the electrolyte salt is Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ),
wherein the cathode film has a loading of 20 mg / cm 2 and the cathode to anode capacity ratio is 0.9. Table 5A High current behavior of a lithium cell with 1M LiBF 4 in DMC

Tabelle 5B zeigt zum Vergleich Ergebnisse über das Hochstromverhalten einer entsprechenden Lithiumzelle aber mit 1M LiPF6 in PC (Propylenkarbonate) Elektrolyt.

For comparison, Table 5B shows results on the high-current behavior of a corresponding lithium cell but with 1M LiPF 6 in PC (propylene carbonate) electrolyte.

Der Vergleich der Daten von Tabelle 5A und 5B zeigt, daß das Hochstromverhalten der Lithiumzelle mit dem 1M Li-BETI in DMC Elektrolyten besser ist, als das einer Zelle mit 1M LiPF6 in PC Elektrolyten. Comparison of the data from Tables 5A and 5B shows that the high current behavior of the lithium cell with the 1M Li-BETI in DMC electrolytes is better than that of a cell with 1M LiPF 6 in PC electrolytes.

Beispiel 5Example 5 Sicherheitsafety

Die Reduktion des Elektrolyten an der Lithium interkalierten Li4Ti5O12-Anode während thermischer Belastung wurde mittels ARC (Accelerating rate Coulometry) unter adjabatischen Bedingungen gemessen. Die Li4Ti5O12-Anode war voll Lithium-interkaliert (> 160 mAh/g). Das Meßprinzip ist beschrieben in M. Richard, J. Dahn J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2068 und in J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2078. Bis etwa 190°C wurden keine selbsterhaltenden exothermen Reaktionen detektiert. Eine kleine exotherme Reaktion startet bei etwa 210°C und erhöht die Temperatur um weniger als 20K. Das Ergebnis zeigt, daß die Elektrolytreduktion an der Lithium interkalierten Anode stark unterdrückt ist. The reduction of the electrolyte at the lithium intercalated Li 4 Ti 5 O 12 anode during thermal stress was measured by means of ARC (Accelerating rate Coulometry) under adjabatic conditions. The Li 4 Ti 5 O 12 anode was fully lithium intercalated (> 160 mAh / g). The measuring principle is described in M. Richard, J. Dahn J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2068 and in J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2078. No self-sustaining exothermic reactions were detected up to approximately 190 ° C. A small exothermic reaction starts at around 210 ° C and increases the temperature by less than 20K. The result shows that the electrolyte reduction at the lithium intercalated anode is strongly suppressed.

Im Vergleich dazu ist in der Literatur (2B. Richard, Dahn in J. Power Sources 83 (1999) 71 oder Richard, Dahn in J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2068 oder J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2078) berichtet, daß Lithium-interkalierter Graphit im Kontakt mit Elektrolyt schon bei etwa 90°C starke exotherme Reaktionen zeigt, welche zum "thermal runaway" führen. Bei Graphit, etwa halbinterkaliert mit Lithium (0.127 V), verursacht die bei etwa 90°C startende exotherme Reaktion einen Temperaturanstieg von etwa 60K. In comparison, the literature (2B. Richard, Dahn in J. Power Sources 83 (1999) 71 or Richard, Dahn in J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2068 or J. Electroch. Soc. 146 (1999), 2078) reports that lithium-intercalated graphite in contact with electrolyte already at around 90 ° C shows strong exothermic reactions which lead to "thermal runaway". For graphite, for example semi-intercalated with lithium (0.127 V), causes the exothermic starting at about 90 ° C Response a temperature increase of about 60K.

Claims (23)

1. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt während des Betriebs thermodynamisch stabil gegenüber Reduktion an der Lithium-interkalierten Anode ist. 1. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that the electrolyte is thermodynamically stable against reduction at the lithium-intercalated anode during operation. 2. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
die Anode, interkaliert mit Lithium, eine Spannung versus Li/Li+ größer als 1 V hat,
die Kathode, Lithium-deinterkaliert, eine Spannung versus Li/Li+ größer als 3.5 V hat,
das Elektrolytlösungsmittel frei von EC (Ethylenkarbonat) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
2. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the anode, intercalated with lithium, has a voltage versus Li / Li + greater than 1 V,
the cathode, lithium deintercalated, has a voltage versus Li / Li + greater than 3.5 V,
the electrolyte solvent is free of EC (ethylene carbonate) and
the electrolyte salt is stable in water.
3. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
die Anode, interkaliert mit Lithium, eine Spannung versus Li/Li+ größer als 1 V hat,
die Kathode, Lithium-deinterkaliert, eine Spannung versus Li/Li+ größer als 3.5 V hat,
das Elektrolytlösungsmittel aus nicht-zyklischen Molekülen besteht und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
3. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the anode, intercalated with lithium, has a voltage versus Li / Li + greater than 1 V,
the cathode, lithium deintercalated, has a voltage versus Li / Li + greater than 3.5 V,
the electrolyte solvent consists of non-cyclic molecules and
the electrolyte salt is stable in water.
4. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Metalls M Titan ist,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial eines oder mehrere ist, ausgewählt aus
einem Lithium-M-Oxide welches die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Übergangsmetalls Mangan ist,
einem Lithium-Übergangsmetall-Phosphat, welches die Olivin-Strukture hat oder
einem Lithium-M-Oxide, welches eine Schichtstruktur (R-3 m) hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist,
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel mindestens zu 80% aus DMC (Dimethylkarbonat) oder AN (Acetonitril) oder mindestens zu 80% aus Mischungen von AN und DMC besteht und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2), LiBF4, LiClO4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
4. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as the crystal structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the metal M being titanium,
the active cathode intercalation material is one or more selected from
a lithium M-oxide which has the spinel structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the transition metal being manganese,
a lithium transition metal phosphate which has the olivine structure or
a lithium M-oxide, which has a layer structure (R-3 m), at least 90% of the metal M being transition metal,
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent consists of at least 80% DMC (dimethyl carbonate) or AN (acetonitrile) or at least 80% mixtures of AN and DMC and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), LiBF 4 , LiClO 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) ,
5. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Metalls M Titan ist,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial eines oder mehrere ist, ausgewählt aus
einem Lithium-M-Oxide, welches die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Übergangsmetalls Mangan ist,
einem Lithium-Übergangsmetall-Phosphate, welches die Olivin-Strukture hat oder
einem Lithium-M-Oxide, welches eine Schichtstruktur (R-3 m) hat, wobeimindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist,
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist wobei
das Lösungsmittel DMC (Dimethylkarbonat) oder AN (Acetonitril) oder Mischungen von AN und DMC ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2), LiBF4, LiClO4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
5. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as the crystal structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the metal M being titanium,
the active cathode intercalation material is one or more selected from
a lithium M-oxide which has the spinel structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the transition metal being manganese,
a lithium transition metal phosphate which has the olivine structure or
a lithium M-oxide, which has a layer structure (R-3 m), at least 90% of the metal M being transition metal,
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent
the solvent is DMC (dimethyl carbonate) or AN (acetonitrile) or mixtures of AN and DMC and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), LiBF 4 , LiClO 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) ,
6. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbessertem Hochstromverhalten und verbesserter Zykelstabilität bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 1 und 20 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches die Spinell- Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Mangan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M-Oxides zwischen 0.5 und 15 m2/g beträgt und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und zu mindestens 50% AN (Acetonitril) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
6. Rechargeable lithium cell with improved high-current behavior and improved cycle stability consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 1 and 20 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M-oxide which has the spinel structure, at least 90% of the metal M being manganese and the BET surface area of the lithium M-oxide being between 0.5 and 15 m 2 / g and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent consists of non-cyclic molecules and is at least 50% AN (acetonitrile) and
the electrolyte salt is stable in water.
7. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbessertem Hochstromverhalten und verbesserter Zykelstabilität bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 2 und 15 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches die Spinell- Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Mangan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M-Oxides zwischen 1 und 7 m2/g beträgt und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und zu mindestens 80% AN (Acetonitril) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
7. Rechargeable lithium cell with improved high-current behavior and improved cycle stability consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 2 and 15 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M-oxide which has the spinel structure, at least 90% of the metal M being manganese and the BET surface area of the lithium M-oxide being between 1 and 7 m 2 / g and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent consists of non-cyclic molecules and is at least 80% AN (acetonitrile) and
the electrolyte salt is stable in water.
8. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbessertem Hochstromverhalten und verbesserter Zykelstabilität bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 2 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches die Spinell- Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Mangan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M-Oxides zwischen 1 und 6 m2/g beträgt und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel AN (Acetonitril) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2), LiBF4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
8. Rechargeable lithium cell with improved high current behavior and improved cycle stability consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as the crystal structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the metal M being titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 2 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M-oxide which has the spinel structure, at least 90% of the metal M being manganese and the BET surface area of the lithium M-oxide being between 1 and 6 m 2 / g and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent is AN (acetonitrile) and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), LiBF 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ).
9. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 1 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial eine BET-Oberfläche zwischen 0.5 und 6 m2/g hat und eines oder mehrere ist, ausgewählt aus
einem Lithium-M-Oxide mit Spinell-Struktur, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Übergangsmetalles Mangan ist oder
einem Lithium-M-Oxide, welches eine Schichtstruktur (R-3 m) hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und zu mindestens 50% DMC (Dimethylkarbonat) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
9. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 1 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material has a BET surface area between 0.5 and 6 m 2 / g and is one or more selected from
a lithium M-oxide with spinel structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal and at least 75% of the transition metal is manganese or
a lithium M-oxide, which has a layer structure (R-3 m), at least 90% of the metal M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent consists of non-cyclic molecules and is at least 50% DMC (dimethyl carbonate) and
the electrolyte salt is stable in water.
10. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 1 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial eine BET-Oberfläche zwischen 0.5 und 6 m2/g hat und eines oder mehrere ist, ausgewählt aus
einem Lithium-M-Oxide mit Spinell-Struktur, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Übergangsmetalles Mangan ist oder
einem Lithium-M-Oxide, welches eine Schichtstruktur (R-3 m) hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und zu mindestens 80% DMC (Dimethylkarbonat) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
10. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 1 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material has a BET surface area between 0.5 and 6 m 2 / g and is one or more selected from
a lithium M-oxide with spinel structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal and at least 75% of the transition metal is manganese or
a lithium M-oxide, which has a layer structure (R-3 m), at least 90% of the metal M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent consists of non-cyclic molecules and is at least 80% DMC (dimethyl carbonate) and
the electrolyte salt is stable in water.
11. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 1 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial eine BET-Oberfläche zwischen 0.5 und 6 m2/g hat und eines oder mehrere ist, ausgewählt aus
einem Lithium-M-Oxide mit Spinell-Struktur, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Übergangsmetalles Mangan ist oder
einem Lithium-M-Oxide, welches eine Schichtstruktur (R-3 m) hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, wobei
das Lösungsmittel DMC (Dimethylkarbonat) ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2), LiBF4, LiClO4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
11. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 1 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material has a BET surface area between 0.5 and 6 m 2 / g and is one or more selected from
a lithium M-oxide with spinel structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal and at least 75% of the transition metal is manganese or
a lithium M-oxide, which has a layer structure (R-3 m), at least 90% of the metal M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt dissolved in an electrolyte solvent, wherein
the solvent is DMC (dimethyl carbonate) and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), LiBF 4 , LiClO 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) ,
12. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 0.5 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Phosphate mit Olivin Struktur ist, wobei mindestens 90% von M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist.
12. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 0.5 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M phosphate with olivine structure, at least 90% of M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the solvent consists of non-cyclic molecules and
the electrolyte salt is stable in water.
13. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus einem Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist, mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 0.5 und 10 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Phosphate mit Olivin Struktur ist, wobei mindestens 90% von M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lösungsmittel aus nichtzyklischen Molekülen besteht und zu mindestens 80% aus MC (Dimethylkarbonat) oder AN (Acetonitril) oder zu mindestens 80% aus Mischungen von DMC und AN besteht und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5SO2)2), LiBF4, LiClO4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
13. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high-current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte, consisting of an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as crystal structure, wherein at least 90% of the metal M is transition metal, at least 75% of the metal M is titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 0.5 and 10 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M phosphate with olivine structure, at least 90% of M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the solvent consists of non-cyclic molecules and consists of at least 80% MC (dimethyl carbonate) or AN (acetonitrile) or at least 80% mixtures of DMC and AN and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ), LiBF 4 , LiClO 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) ,
14. Wiederaufladbare Lithiumzelle mit verbesserter Zykelstabilität und gutem Hochstromverhalten, bestehend aus einem Anodenfilm mit einem aktiven Anoden- Interkalationsmaterial, einem Kathodenfilm mit einem aktiven Kathoden- Interkalationsmaterial und einem Elektrolyten, bestehend aus Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel, dadurch gekenzeichnet, daß
das aktive Anodenmaterial ein Lithium-M-Oxide ist, welches als Kristall-Struktur die Spinell-Struktur hat, wobei mindestens 90% des Metalls M Übergangsmetall ist und mindestens 75% des Metalls M Titan ist und die BET Oberfläche des Lithium-M- Oxides zwischen 0.5 und 6 m2/g beträgt,
das aktive Kathoden-Interkalationsmaterial ein Lithium-M-Phosphate mit Olivin Struktur ist, wobeimindestens 90% von M Übergangsmetall ist und
der Elektrolyt ein Elektrolytsalz, gelöst in einem Elektrolyt-Lösungsmittel ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lösungsmittel DMC (Dimethylkarbonat) oder AN (Acetonitril) oder Mischungen von DMC und AN ist und
das Elektrolytsalz stabil in Wasser ist und aus einem oder mehreren ausgewählt aus Li-BETI (LiN(C2F5O2)2), LiBF4, LiClO4 oder Li-PAF (LiPF3(C2F5)3) besteht.
14. Rechargeable lithium cell with improved cycle stability and good high current behavior, consisting of an anode film with an active anode intercalation material, a cathode film with an active cathode intercalation material and an electrolyte consisting of electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the active anode material is a lithium M-oxide, which has the spinel structure as a crystal structure, at least 90% of the metal M being transition metal and at least 75% of the metal M being titanium and the BET surface of the lithium M-oxide is between 0.5 and 6 m 2 / g,
the active cathode intercalation material is a lithium M-phosphate with olivine structure, at least 90% of M being transition metal and
the electrolyte is an electrolyte salt, dissolved in an electrolyte solvent, characterized in that
the solvent is DMC (dimethyl carbonate) or AN (acetonitrile) or mixtures of DMC and AN and
the electrolyte salt is stable in water and consists of one or more selected from Li-BETI (LiN (C 2 F 5 O 2 ) 2 ), LiBF 4 , LiClO 4 or Li-PAF (LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 ) ,
15. Eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenzeichnet, daß
der Kathodenfilm zwischen 10 und 25 mg aktivem Kathodenmaterial je cm2 enthält,
die Volumen-Packungsdichte des aktiven Kathodenmaterials im Kathodenfilm zwischen 40-60% ist,
der Anodenfilm zwischen 7 und 20 mg aktivem Anodenmaterial je cm2 enthält und
die Volumen-Packungsdichte des aktiven Anodenmaterials im Anodenfilm zwischen 40-60% ist.
15. A lithium cell according to one of claims 6 to 8, characterized in that
the cathode film contains between 10 and 25 mg of active cathode material per cm 2 ,
the volume packing density of the active cathode material in the cathode film is between 40-60%,
the anode film contains between 7 and 20 mg of active anode material per cm 2 and
the volume packing density of the active anode material in the anode film is between 40-60%.
16. Eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenzeichnet, daß
der Kathodenfilm zwischen 15 und 35 mg aktivem Kathodenmaterial je cm2 enthält,
Volumen-Packungsdichte des aktiven Kathodenmaterials im Kathodenfilm zwischen 50-75% ist,
Anodenfilm zwischen 10 und 25 mg aktivem Anodenmaterial je cm2 enthält und
die Volumen-Packungsdichte des aktiven Anodenmaterials im Anodenfilm zwischen 50-75% ist.
16. A lithium cell according to one of claims 9 to 11, characterized in that
the cathode film contains between 15 and 35 mg of active cathode material per cm 2 ,
Volume packing density of the active cathode material in the cathode film is between 50-75%,
Anode film contains between 10 and 25 mg of active anode material per cm 2 and
the volume packing density of the active anode material in the anode film is between 50-75%.
17. Eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Kathodenkapazität und Anodenkapazität zwischen 0.7 und 0.95 beträgt. 17. A lithium cell according to one of claims 1 to 16, characterized in that the ratio between cathode capacity and anode capacity between 0.7 and 0.95 is. 18. Eine wiederaufladbare Lithiumbatterie dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie mindestens eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 17 enthält. 18. A rechargeable lithium battery characterized in that the battery at least contains a lithium cell according to any one of claims 1 to 17. 19. Eine Lithiumbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie mindestens eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 15 enthält, wobei die Batterie im entladenen Zustand mehr als 1 Minute bei 30C Rate geladen werden kann und im geladenen Zustand mindestens 30 Sekunden bei 60C Rate entladen werden kann, ohne das die Spannung mehr als 20% von der OCV-Spannung abweicht. 19. A lithium battery, characterized in that the battery has at least one Contains lithium cell according to one of claims 6 to 8 or 15, wherein the battery can be charged in the discharged state for more than 1 minute at 30C rate and in charged state can be discharged at least 30 seconds at 60C rate without that the voltage deviates more than 20% from the OCV voltage. 20. Eine Lithiumbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie mindestens eine Lithiumzelle entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 11 oder 16 enthält, wobei die Batterie im entladenen Zustand mehr als 5 Minuten bei 6C Rate geladen werden kann und im geladenen Zustand mindestens 3 Minuten bei 10C Rate entladen werden kann, ohne das die Spannung mehr als 20% von der OCV-Spannung abweicht. 20. A lithium battery, characterized in that the battery has at least one Contains lithium cell according to one of claims 9 to 11 or 16, wherein the battery can be charged at 6C rate in the discharged state for more than 5 minutes and in charged state can be discharged at 10C rate at least 3 minutes without the Voltage deviates more than 20% from the OCV voltage. 21. Eine wiederaufladbare Lithiumbatterie, welche mindestens zwei Lithiumzellen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 17 enthält, wobei die Batterie dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine Bipolare Platte, bestehend aus Anodenfilm, Aluminiumsubstrate und Kathodenfilm verwended wird, wobei das Aluminiumsubstrat eine Aluminiumplatte oder Aluminiumfolie ist und sich der Anodenfilm und der Kathodenfilm deckungsgleich auf gegenüberliegenden Seiten des Aluminiumsubstrates befinden. 21. A rechargeable lithium battery that has at least two lithium cells accordingly contains one of claims 1 to 16 or 17, wherein the battery characterized is that at least one bipolar plate consisting of anode film, aluminum substrates and cathode film is used, the aluminum substrate being an aluminum plate or aluminum foil and the anode film and the cathode film are congruent opposite sides of the aluminum substrate. 22. Eine wiederaufladbare Lithiumbatterie entspechend Anspruch 21, welche mindestens drei Lithiumzellen und einen Stack von mindestens zwei bipolare Platten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolaren Platten, separiert von einem Elektrolyten, in Reihe geschaltet sind. 22. A rechargeable lithium battery according to claim 21, which has at least three This contains lithium cells and a stack of at least two bipolar plates characterized in that the bipolar plates, separated by an electrolyte, in series are switched. 23. Eine große wiederaufladbare Lithiumbatterie entsprechend Anspruch 22, welche mindestens 6 Lithiumzellen und einem Stack von mindestens 5 bipolaren Platten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens 5 und höchstens 100 bipolaren Platten, separiert von einem Elektrolyten, in Reihe geschaltet sind und
der Kathodenfilm auf den bipolaren Platten jeweils eine Ausdehnung zwischen 100 und 4000 cm2 hat.
23. A large rechargeable lithium battery according to claim 22, which contains at least 6 lithium cells and a stack of at least 5 bipolar plates, characterized in that
at least 5 and at most 100 bipolar plates, separated from an electrolyte, are connected in series and
the cathode film on the bipolar plates each has an extent between 100 and 4000 cm 2 .
DE10215305A 2002-04-08 2002-04-08 Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation Withdrawn DE10215305A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10215305A DE10215305A1 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10215305A DE10215305A1 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10215305A1 true DE10215305A1 (en) 2003-10-23

Family

ID=28458622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10215305A Withdrawn DE10215305A1 (en) 2002-04-08 2002-04-08 Rechargeable lithium cells and batteries with active anode and cathode intercalation materials use electrolyte that is thermodynamically stable towards reduction at lithium-intercalated anode during operation

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10215305A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1496562A1 (en) * 2002-04-12 2005-01-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8728A (en) * 1852-02-10 Improvement in seed-planters
DE3929316A1 (en) * 1989-09-04 1991-03-07 Varta Batterie ION LADDER OR ELECTROLYT FOR GALVANIC ELEMENTS
DE19544909A1 (en) * 1994-12-02 1996-06-05 Canon Kk Lithium secondary cell i.e. using lithium as the minus pole and for use e.g. with notebook computers
DE69608627T2 (en) * 1995-09-06 2000-09-21 Canon Kk Rechargeable lithium batteries with specific electrolytes
US6168887B1 (en) * 1999-01-15 2001-01-02 Chemetals Technology Corporation Layered lithium manganese oxide bronze and electrodes thereof
EP1189296A2 (en) * 2000-09-14 2002-03-20 Ilion Technology Corporation Lithiated oxide materials and methods of manufacture

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8728A (en) * 1852-02-10 Improvement in seed-planters
DE3929316A1 (en) * 1989-09-04 1991-03-07 Varta Batterie ION LADDER OR ELECTROLYT FOR GALVANIC ELEMENTS
DE19544909A1 (en) * 1994-12-02 1996-06-05 Canon Kk Lithium secondary cell i.e. using lithium as the minus pole and for use e.g. with notebook computers
DE69608627T2 (en) * 1995-09-06 2000-09-21 Canon Kk Rechargeable lithium batteries with specific electrolytes
US6168887B1 (en) * 1999-01-15 2001-01-02 Chemetals Technology Corporation Layered lithium manganese oxide bronze and electrodes thereof
EP1189296A2 (en) * 2000-09-14 2002-03-20 Ilion Technology Corporation Lithiated oxide materials and methods of manufacture

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1496562A1 (en) * 2002-04-12 2005-01-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery
EP1496562A4 (en) * 2002-04-12 2009-09-02 Toshiba Kk Nonaqueous electrolyte secondary battery
US8530081B2 (en) 2002-04-12 2013-09-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery including positive electrode active material layers having parallel grooves

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102633527B1 (en) Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
EP1391959B1 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
US6489055B1 (en) Lithium secondary battery
EP3712987A1 (en) Anode for lithium secondary battery, manufacturing method therefor, and lithium secondary battery comprising anode for lithium secondary battery
US20120288761A1 (en) Electrode additives coated with electro conductive material and lithium secondary comprising the same
EP0886334B1 (en) Lithium secondary battery
WO2003075371A2 (en) Electrochemical cell for a lithium ion battery with improved high-temperature stability
KR102345312B1 (en) Non-aqueous electrolyte solution and lithium secondary battery comprising the same
DE19946066A1 (en) Coated lithium mixed oxide particles and their use II
US10403891B2 (en) Positive electrode material and lithium ion battery
KR20200046944A (en) Methods for preparing negative electrode for lithium secondary battery
KR20200054097A (en) Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
KR20200089624A (en) Additive for nonaqueous electrolyte, nonaqueous electrolyte for lithium secondary battery comprising the same, and lithium secondary battery
JP2009026514A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JPH0997627A (en) Nonaqueous electrolyte and lithium secondary battery
KR20010034470A (en) Non-aqueous electrolyte secondary cell
JP3349399B2 (en) Lithium secondary battery
CN112313820A (en) Lithium composite anode active material, anode including the same, and method of manufacturing the same
JPH08115742A (en) Lithium secondary battery
JP3573971B2 (en) Lithium secondary battery
JPH11111291A (en) Positive electrode material for nonaqueous secondary battery and battery using this
JP3309719B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
US20010031399A1 (en) Positive active material for rechargeable lithium battery and method of preparing same
JP7301449B2 (en) Non-aqueous electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same
KR20190143291A (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8139 Disposal/non-payment of the annual fee