DE102015014294A1 - Electrolytic composition for reduced gas formation in wide temperature range cycles - Google Patents

Electrolytic composition for reduced gas formation in wide temperature range cycles Download PDF

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Abstract

Eine wiederaufladbare Batterie-Zelle wird vorgeschlagen, die eine spezielle Kombination aus Anode, Kathode und Elektrolytzusammensetzung hat. Die Elektrolytzusammensetzung beinhaltet ein Additivsystem und ein Salzsystem. Das Additivsystem schließt ein erstes eine Sulfonyl-Gruppe beinhaltendes Additiv, ein Anti-Gasbildungsmittel und ein zweites Additiv ein. Das Salzsystem beinhaltet ein Lithiumsalz und ein Co-Salz. Die offenbarte Elektrolytzusammensetzung verringert Gasbildung und verbessert die Leistung über einen weiten Temperaturbereich.A rechargeable battery cell is proposed which has a special combination of anode, cathode and electrolyte composition. The electrolyte composition includes an additive system and a salt system. The additive system includes a first sulfonyl group-containing additive, an anti-gassing agent and a second additive. The salt system includes a lithium salt and a co-salt. The disclosed electrolyte composition reduces gas formation and improves performance over a wide temperature range.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part der internationalen Patentanmeldung PCT/US2013/045513 mit dem Titel ”Nicht-wässrige Elektrolytische wiederaufladbare Batterien zum Betrieb in erweitertem Temperaturbereich”, eingereicht 12. Juni 2013, die die Priorität der U. S. Provisional Application No. 61/658.712 mit dem Titel ”Mikrohybrid-Batterie” beansprucht, eingereicht 12. Juni 2012, und die Priorität der U. S. Provisional Application Nummer 61/658.704 mit dem Titel ”Lithium-Ionen-Zelle mit nicht-wässrigem Elektrolyt mit einem Lösungsmittel enthaltend eine S-O Bindung” beansprucht, eingereicht 12. Juni 2012, deren jeweils gesamter Inhalt hiermit durch Referenz in seiner Gesamtheit für alle Zwecke eingeschlossen ist.This application is a continuation-in-part of International Patent Application PCT / US2013 / 045513 entitled "Nonaqueous Electrolytic Rechargeable Batteries for Operation in Extended Temperature Range", filed June 12, 2013, which is the priority of U.S. Provisional Application No. 5,256,259. No. 61 / 658,712, entitled "Microhybrid Battery", filed Jun. 12, 2012, and the priority of US Provisional Application No. 61 / 658,704 entitled "Nonaqueous Electrolyte Lithium Ion Cell Containing a Solvent Binding "filed 12 June 2012, the entire contents of which are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolytzusammensetzung, umfassend mindestens ein erstes Additiv, das eine Sulfonylgruppe enthält, ein spezifisches Salz-System und ein Anti-Gasbildungs-Additiv im Rahmen bestimmter Verhältnisse zur Verwendung in einer wiederaufladbaren Batterie.This invention relates to an electrolyte composition comprising at least a first additive containing a sulfonyl group, a specific salt system, and an anti-gassing additive within certain ratios for use in a rechargeable battery.

HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNGBACKGROUND AND ABSTRACT

Wiederaufladbare Batterien produzieren Energie aus elektrochemischen Reaktionen. In typischen wiederaufladbaren Batterien ist die Batterie so konstruiert, dass sie die optimale Leistung bei oder nahe der Raumtemperatur liefert. Extrem hohe oder niedrige Temperaturen können die Leistung und/oder Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen. Um die Leistungsprobleme bei extremen Temperaturen anzugehen, können Batterien Heiz- und/oder Kühlsysteme integrieren, die Volumen, Gewicht, Komplexität und Kosten erhöhen. In vielen Fällen kann dies den Einsatz von Batterien für Anwendungen in extremen Temperaturumgebungen begrenzen.Rechargeable batteries produce energy from electrochemical reactions. In typical rechargeable batteries, the battery is designed to provide optimum performance at or near room temperature. Extremely high or low temperatures may affect the performance and / or life of the battery. To address the performance issues of extreme temperatures, batteries can integrate heating and / or cooling systems that increase volume, weight, complexity and cost. In many cases, this can limit the use of batteries for extreme temperature applications.

In jüngerer Zeit wurden Batterien mit Zellen mit einer speziellen Kombination von Anode, Kathode und Elektrolytzusammensetzungen entwickelt, um eine lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen beizubehalten und gleichzeitig Energie bei niedrigen Temperaturen zu liefern. Zum Beispiel Cho, in WO 2013/188594 , die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist für alle Zwecke, offenbart eine Elektrolytzusammensetzung zur Verwendung in wiederaufladbaren Batterien, die ein erstes, eine Sulfonylgruppe enthaltendes Additiv umfasst. Wie von Cho offenbart, kann die Verwendung von Sulfonylgruppen enthaltenden Additiven in dem Elektrolyt eine Batterie bereitstellen, die die Zykluslebensdauer bei hohen Temperaturen beibehält und Energie bei niedrigen Temperaturen liefert, wodurch die Anforderung an Wärmemanagementsysteme signifikant reduziert wird.More recently, batteries have been developed with cells having a particular combination of anode, cathode, and electrolyte compositions to maintain a long service life at high temperatures while providing energy at low temperatures. For example Cho, in WO 2013/188594 , which is hereby incorporated by reference for all purposes, discloses an electrolyte composition for use in rechargeable batteries comprising a first sulfonyl group-containing additive. As disclosed by Cho, the use of sulfonyl group-containing additives in the electrolyte can provide a battery that maintains cycle life at high temperatures and supplies energy at low temperatures, thereby significantly reducing the requirement for thermal management systems.

Cho offenbart insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, umfassend eine nicht-wässrige Elektrolytlösung umfassend ein Lithiumsalz LiPF6, bei 0,6–2 M und ein organisches Lösungsmittelgemisch, das 35 Vol.-% Ethylencarbonat, 5 Vol.-% Propylencarbonat, 50 Vol.-% Ethylmethylcarbonat und 10 Vol.-% Diethylcarbonat und mindestens ein Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, Ethylensulfit, bei 0,1–5 Gew.-% und Vinylencarbonat bei 0,2–8 Vol.-%. umfasst. Die von Cho vorgeschlagene Elektrolytzusammensetzung bietet eine Leistungssteigerung für den Kaltstart eines Motors im Vergleich zu Säure-Batterien und behält lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen bei.Cho discloses in particular a rechargeable battery, comprising a non-aqueous electrolyte solution comprising a lithium salt LiPF 6 in 0.6-2 M and an organic solvent mixture containing 35 vol .-% ethylene, 5 vol .-% of propylene carbonate, 50 volume % Ethyl methyl carbonate and 10% by volume diethyl carbonate and at least one additive containing a sulfonyl group, ethylene sulfite at 0.1-5% by weight and vinylene carbonate at 0.2-8% by volume. includes. Cho's proposed electrolyte composition provides a performance boost for cold starting an engine compared to acid batteries and maintains a long service life at high temperatures.

Die Verwendung des Additivs, das die Sulfonylgruppen zusätzlich zu dem Vinylencarbonat in organischen Elektrolyt enthält, stellt eine stabile, niederohmigere wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie bereit. Das Additiv, das die Sulfonylgruppe enthält, kann die Impedanz senken durch Reaktion mit der Anode, wobei eine stabile, feste Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) geschaffen wird, die mehr ionisch leitfähig ist als mit einem Elektrolyt ohne das Additiv. Darüber hinaus kann das Vinylencarbonat effizient sein bei Passivierung der Kohlenstoff-basierten Anode während der Anfangsaufladung, wobei die SEI weniger löslich gemacht wird, und somit kann eine Zersetzung des Additivs Sulfonyl reduziert werden.The use of the additive containing the sulfonyl groups in addition to the vinylene carbonate in organic electrolyte provides a stable, lower-resistance rechargeable lithium-ion battery. The additive containing the sulfonyl group can lower the impedance by reacting with the anode to provide a stable, solid electrolyte interface (SEI) that is more ionically conductive than an electrolyte without the additive. Moreover, the vinylene carbonate can be efficient in passivating the carbon-based anode during the initial charging, making the SEI less soluble, and thus decomposition of the sulfonyl additive can be reduced.

Jedoch haben die Erfinder erkannt, dass eine verbesserte Elektrolytzusammensetzung basierend auf dem von Cho offenbarten Elektrolyt bereit gestellt werden kann, um die Leistung bei extremen Temperaturen zu verbessern und die Gasbildung zu reduzieren. Es wird eine Elektrolytzusammensetzung bereitgestellt, umfassend ein erstes Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, ein Anti-Gasbildungsmittel, ein zweites Additiv, und ein Salz System. Weiterhin umfasst die Elektrolytzusammensetzung Vinylencarbonat und ein Lösungsmittelsystem. Die Elektrolytzusammensetzung kann in verschiedenen Zellkonstruktionen verwendet werden, kann aber insbesondere vorteilhaft sein in einer Beutel(pouch-)-Konstruktion aufgrund der reduzierten Gasbildung.However, the inventors have recognized that an improved electrolyte composition based on the electrolyte disclosed by Cho can be provided to improve performance at extreme temperatures and to reduce gas formation. There is provided an electrolyte composition comprising a first additive containing a sulfonyl group, an anti-gassing agent, a second additive, and a salt system. Furthermore, the electrolyte composition comprises vinylene carbonate and a solvent system. The electrolyte composition may be used in various cell constructions, but may be particularly advantageous in a pouch design due to reduced gas formation.

Die offenbarte Elektrolytzusammensetzung kann Gasbildung über einen weiten Temperaturbereich während des Zyklus reduzieren. Ferner kann das Verhältnis zwischen dem Sulfonylgruppe-Additiv und Vinylencarbonat gesteuert werden, um eine verbesserte SEI Schicht für eine verbesserte Effektivität des Zellzyklus zu gewährleisten. Wie hier vorgesehen, verringert/hält die optimierte Elektrolytzusammensetzung die Impedanz und bietet eine verbesserte Leistung während des Kaltstarts, wobei während der Hochtemperaturzyklen und/oder Lagerung auch die Gasbildung reduziert wird. The disclosed electrolyte composition can reduce gas formation over a wide temperature range during the cycle. Further, the ratio between the sulfonyl group additive and vinylene carbonate can be controlled to provide an improved SEI layer for improved cell cycle efficiency. As provided herein, the optimized electrolyte composition reduces / maintains impedance and provides improved performance during cold start, and also reduces gas formation during high temperature cycling and / or storage.

Wie hier angegeben, kann das erste Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, 0,1 bis 5 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung entsprechen. Das Anti-Gasbildungsmittel kann bei gleich oder weniger als 2 Gew.-% liegen, während das zweite Additiv 0,1–5 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung entspricht. Das zusätzliche Additiv kann ausgewählt werden, um den Anteil des Vinylencarbonats zu reduzieren und gleichzeitig eine gute SEI Entwicklung aufrechtzuerhalten. Das Salz-System kann ein Lithiumsalz in Kombination mit einem Co-Salz umfassen, wobei es für das Co-Salz unwahrscheinlich ist, Lewis-saure Zersetzung zu erzeugen.As indicated herein, the first additive containing a sulfonyl group may correspond to 0.1 to 5 weight percent of the electrolyte composition. The anti-gassing agent may be equal to or less than 2% by weight while the second additive is 0.1-5% by weight of the electrolyte composition. The additional additive can be selected to reduce the level of vinylene carbonate while maintaining good SEI performance. The salt system may comprise a lithium salt in combination with a co-salt, and it is unlikely for the co-salt to produce Lewis acid decomposition.

Es versteht sich, dass die obige Zusammenfassung vorgesehen ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie ist nicht vorgesehen, Schlüssel- oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Umfang einzig durch die Ansprüche, die der ausführlichen Beschreibung folgen, definiert wird. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.It should be understood that the summary above is provided to introduce in simplified form a selection of concepts that are further described in the detailed description. It is not intended to identify key or essential features of the claimed subject matter, the scope of which is defined solely by the claims which follow the detailed description. Furthermore, the claimed subject matter is not limited to implementations that solve any disadvantages noted above or in any part of this disclosure.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 veranschaulicht den anfänglichen Kapazitätsverlust der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphitzelle im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 1 illustrates the initial capacity loss of the electrolyte composition in an LFP / graphite cell as compared to control electrolyte.

2 veranschaulicht den anfänglichen Kapazitätsverlust der Elektrolytzusammensetzung in einer Zelle, umfassend eine NCM-Kathode und eine Graphitanode, im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 2 Figure 12 illustrates the initial capacity loss of the electrolyte composition in a cell comprising an NCM cathode and a graphite anode as compared to control electrolyte.

3 veranschaulicht die Impedanz der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphitzelle im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 3 illustrates the impedance of the electrolyte composition in an LFP / Graphite cell as compared to control electrolyte.

4 zeigt die Impedanz der Elektrolytzusammensetzung in einer NCM/Graphitzelle im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 4 Figure 12 shows the impedance of the electrolyte composition in an NCM / graphite cell compared to control electrolyte.

5A zeigt die Hybridpulsleistungsfähigkeit (HPPC) bei 23°C der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphitzelle bei 1 Sekunde Pulsleistung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 5A Figure 3 shows the hybrid pulse performance (HPPC) at 23 ° C of the electrolyte composition in an LFP / Graphite cell at 1 second pulse power as compared to control electrolyte.

5B illustriert die Hybridpulsleistungsfähigkeit (HPPC) bei 23°C der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphit-Zelle bei 10 Sekunden Pulsleistung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 5B illustrates the hybrid pulse performance (HPPC) at 23 ° C of the electrolyte composition in an LFP / graphite cell at 10 seconds pulse power compared to control electrolyte.

6A illustriert die Hybridpulsleistungsfähigkeit (HPPC) bei –20°C der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphitzelle bei 1 Sekunde Pulsleistung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 6A illustrates the hybrid pulse performance (HPPC) at -20 ° C of the electrolyte composition in an LFP / Graphite cell at 1 second pulse power compared to control electrolyte.

6B illustriert die Hybridpulsleistungsfähigkeit (HPPC) bei –20°C der Elektrolytzusammensetzung in einer LFP/Graphitzelle bei 10 Sekunden Pulsleistung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 6B illustrates the hybrid pulse performance (HPPC) at -20 ° C of the electrolyte composition in an LFP / Graphite cell at 10 second pulse power compared to control electrolyte.

7 veranschaulicht die Leistung, die aus einem Kaltstart-Test bei –30°C mit der Elektrolytzusammensetzung in LFP/Graphit-Zellen im Vergleich zu Kontrollelektrolyt resultiert. 7 Figure 12 illustrates the performance resulting from a cold start test at -30 ° C with the electrolyte composition in LFP / graphite cells as compared to control electrolyte.

8 veranschaulicht die von einem Kaltstarttest bei –30°C resultierende Leistung für NCM/Graphite Zellen mit der Elektrolytzusammensetzung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 8th illustrates the performance resulting from a cold-start test at -30 ° C for NCM / graphite cells with the electrolyte composition as compared to control electrolyte.

9 zeigt die Hochtemperatur-Lebensdauer-Testergebnisse für NCM/Graphit-Zellen mit der Elektrolytzusammensetzung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 9 Figure 11 shows the high temperature life test results for NCM / graphite cells with the electrolyte composition compared to control electrolyte.

10 zeigt die Änderung im Volumen während einer 55°C Lagerung von LFP/Graphit-Zellen mit der Elektrolytzusammensetzung im Vergleich zu Kontrollelektrolyt. 10 shows the change in volume during a 55 ° C storage of LFP / graphite cells with the electrolyte composition compared to control electrolyte.

11 zeigt eine beispielhafte Beutel Konstruktion zur Verwendung mit der Elektrolytzusammensetzung. 11 shows an exemplary bag construction for use with the electrolyte composition.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Aspekte dieser Offenbarung werden nun beispielhaft und mit Bezug auf die oben aufgelisteten dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Komponenten, Prozessschritte und andere Elemente, die im Wesentlichen die Gleichen in einer oder mehreren Ausführungsformen sind, werden koordiniert identifiziert und mit minimaler Wiederholung beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass Elemente, die koordiniert identifiziert wurden, sich auch zu einem gewissen Grad unterscheiden können.Aspects of this disclosure will now be described by way of example and with reference to the illustrated embodiments listed above. Components, process steps and other elements that are substantially the same in one or more embodiments are identified in a coordinated fashion and described with minimal repetition. However, it should be noted that elements that have been identified in a coordinated manner may also differ to some extent.

Diese Offenbarung stellt eine optimierte Elektrolytzusammensetzung bereit, die ein erstes Additiv enthaltend eine Sulfonylgruppe, ein Anti-Gasbildungsmittel, ein zweites Additiv, um die Impedanz zu reduzieren und ein Salzsystem umfasst. Diese optimierte Elektrolytzusammensetzung ergibt eine unerwartete Verbesserung des anfänglichen Kapazitätsverlusts, illustriert in den 1 und 2, im Vergleich zu Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen. Weiterhin ergibt die optimierte Elektrolytzusammensetzung ähnliche und/oder reduzierte Gleichstrom- und Wechselstromwiderstände (DCR, ACR), wie in den 3, 4, 5A, 5B, 6A und 6B gezeigt ist, im Vergleich zu Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen. Die optimierte Elektrolytzusammensetzung zeigt ferner verbesserte Kaltstartleistung, illustriert in den 7 und 8, und unerwartete Verbesserungen bei Wechselbeanspruchung über einen weiten Temperaturbereich, dargestellt in 9. Darüber hinaus hat die spezifische Elektrolytzusammensetzung ein unerwartetes Ergebnis der Reduzierung der Impedanz bei gleichzeitiger Reduzierung der Gasbildung, illustriert in 10. Die geringe Gasbildung der Elektrolytzusammensetzung ermöglicht den Einsatz der Elektrolytzusammensetzung in verschiedenen Zellkonstruktionen, insbesondere einer Beutelkonstruktion, illustriert in 11.This disclosure provides an optimized electrolyte composition comprising a first additive containing a sulfonyl group, an anti-gassing agent, a second additive to reduce impedance, and a salt system. This optimized electrolyte composition provides an unexpected improvement in initial capacity loss, illustrated in US Pat 1 and 2 , compared to control electrolyte compositions. Furthermore, the optimized electrolyte composition gives similar and / or reduced DC and AC resistances (DCR, ACR), as in US Pat 3 . 4 . 5A . 5B . 6A and 6B shown compared to control electrolyte compositions. The optimized electrolyte composition also exhibits improved cold-start performance, illustrated in U.S. Pat 7 and 8th , and unexpected improvements in cycling over a wide temperature range, presented in 9 , In addition, the specific electrolyte composition has an unexpected result of reducing impedance while reducing gas formation, illustrated in FIG 10 , The low gas formation of the electrolyte composition allows the use of the electrolyte composition in various cell constructions, particularly a bag construction, illustrated in US Pat 11 ,

Wie oben beschrieben, führt die Elektrolytzusammensetzung zu geringer Gasbildung bei hohen Temperaturen bei immer noch niedriger Impedanz bei sehr niedrigen Temperaturen und bietet eine gute SEI Entwicklung. Gezeigt in Tabelle 1 sind die Bereiche der Additive und des Salzsystems eines Beispiels einer Elektrolytzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung. Tabelle 1: Elektrolytzusammensetzung BEREICH Additivsystem Erstes Additiv enthaltend eine Sulfonylgruppe 0,1 bis 5 Gew.-% Vinylencarbonat 0,1 bis 5 Gew.-% Anti-Gasbildungsadditiv weniger als 2 Gew.-% Zweites Additiv 0,1 bis 5 Gew.-% Salzsystem Litiumsalz 0,1 bis 2,0 M Co-Salz 0,05 bis 0,25 M As described above, the electrolyte composition results in low gas formation at high temperatures, with still low impedance at very low temperatures, and provides good SEI development. Shown in Table 1 are the ranges of additives and salt system of an example of an electrolyte composition according to the present invention. Table 1: Electrolyte composition AREA additive system First additive containing a sulfonyl group 0.1 to 5% by weight vinylene 0.1 to 5% by weight Anti-gas formation additive less than 2% by weight Second additive 0.1 to 5% by weight salt system Litiumsalz 0.1 to 2.0 M Co salt 0.05 to 0.25 M

Wie in der obigen Tabelle gezeigt ist, kann die Elektrolytzusammensetzung ein Additivsystem und ein Salz System aufweisen. Das Additivsystem enthält Komponenten jeweils in weniger als 5 Gew. Das offenbarte Additivsystem umfasst ein erstes Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, Vinylencarbonat, ein Anti-Gasbildungs-Additiv und ein zweites Additiv. Die Kombination des ersten Additivs, enthaltend eine Sulfonylgruppe, das Vinylencarbonat, das Anti-Gasbildungsadditiv und das zweite Additiv reduzieren die Impedanz und verstärken die SEI-Schicht.As shown in the above table, the electrolyte composition may include an additive system and a salt system. The additive system contains components each in less than 5 wt. The disclosed additive system comprises a first additive containing a sulfonyl group, vinylene carbonate, an anti-gassing additive, and a second additive. The combination of the first additive containing a sulfonyl group, the vinylene carbonate, the anti-gassing additive and the second additive reduce the impedance and reinforce the SEI layer.

Ferner reduziert das Anti-Gasbildungs-Additiv in dem offenbarten Additivsystem die Gaserzeugung, die aus Reaktionen von einer oder mehreren der anderen Additive, wie zum Beispiel dem ersten Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, resultieren kann. Das Elektrolyt-Additivsystem ist speziell ausgelegt, um die Gaserzeugung zu steuern und die Impedanzerhöhung zu mindern von einigen Additiven, wie erhöhte Impedanz von den Anti-Gasbildung und SEI bildenden Additiven, indem eine Zusammensetzung bereitgestellt wird, die eine niedrigeren Gewichtsanteil des Additivs enthaltend eine Sulfonylgruppe ermöglicht, ein niedrigerer Gewichtsanteil des SEI bildenden Additivs kann in Kombination mit einem Salzsystem verwendet werden.Further, the anti-gasification additive in the disclosed additive system reduces gas generation that may result from reactions of one or more of the other additives, such as the first additive containing a sulfonyl group. The electrolyte additive system is specifically designed to control gas generation and reduce the impedance increase of some additives, such as increased impedance of the anti-gasification and SEI-forming additives, by providing a composition containing a lower weight fraction of the additive containing a sulfonyl group a lower weight fraction of the SEI-forming additive may be used in combination with a salt system.

Das offenbarte Salzsystem ermöglicht eine geringere Menge an LiPF6 zu verwenden, da ein Co-Salz enthalten ist. Das Co-Salz wird aus einer Gruppe ausgewählt, die keine Lewis-sauren Spezies während der Zersetzung generiert. Die Einbeziehung des Co-Salzes hat die unerwartete Wirkung, dass die Verwendung eines geringeren Gewichtsanteils des mindestens einen Zusatzstoffs enthaltend eine Sulfonylgruppe infolge der geringeren Konzentration an Lewis-sauren Produkten aus der Zersetzung von LiPF6 möglich ist. Der niedrigere Gewichtsanteil des mindestens einen Zusatzstoffs, enthaltend eine Sulfonylgruppe hat ferner den unerwarteten Vorteil, dass eine geringere Menge an einem Anti-Gasbildungsmittel möglich ist, um die Wirkung der hohen Impedanz, die im Allgemeinen mit Anti-Gasbildungsmitteln angetroffen wird, zu reduzieren. Diese einzigartige Rezeptur ergibt eine Zelle mit geringer Gasbildung und reduzierter Impedanz, im Gegensatz zu der Verwendung von Anti-Gasbildungs-Additiven kombiniert mit Zusätzen, die Sulfonylgruppen enthalten. The disclosed salt system allows a smaller amount of LiPF 6 to be used, since a Co salt is included. The Co salt is selected from a group that does not generate Lewis acidic species during decomposition. The inclusion of the Co salt has the unexpected effect of allowing the use of a minor weight fraction of the at least one additive containing a sulfonyl group due to the lower concentration of Lewis acidic products from the decomposition of LiPF 6 . The lower weight fraction of the at least one additive containing a sulfonyl group also has the unexpected advantage that a smaller amount of an anti-gassing agent is possible to reduce the high impedance effect generally encountered with anti-gassing agents. This unique formulation results in a cell with low gas formation and reduced impedance, in contrast to the use of anti-gasification additives combined with additives containing sulfonyl groups.

Im Gebrauch stellt die Elektrolytzusammensetzung eine verbesserte Batterie zur Verfügung. Zum Beispiel kann eine wiederaufladbare Batterie, die eine Anode (die auch als eine negative Elektrode bezeichnet wird), eine Kathode (auch als positive Elektrode bezeichnet), einen Separator und eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, wie beispielsweise dem Elektrolyt der vorliegenden Offenbarung enthalten. Die hier offenbarten Zellen umfassenden wiederaufladbare Batterien sind gasungsarm, haben lange Lebensdauer über einen weiten Temperaturbereich, reduzieren die Impedanz und verbessern die Leistung während des Kaltstarts. Als ein weiteres Beispiel kann die Elektrolytzusammensetzung in einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden.In use, the electrolyte composition provides an improved battery. For example, a rechargeable battery that includes an anode (also referred to as a negative electrode), a cathode (also referred to as a positive electrode), a separator, and a non-aqueous electrolyte solution, such as the electrolyte of the present disclosure. The rechargeable batteries disclosed herein are low-gassing, have long life over a wide temperature range, reduce impedance, and improve performance during cold start. As another example, the electrolyte composition may be used in a lithium-ion battery.

Wie oben beschrieben, ist die Elektrolytzusammensetzung eine nicht-wässrige Elektrolytlösung und kann eine Additivsystem und ein Salzsystems umfassen. Das Additivsystem kann ein erstes Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, Vinylencarbonat, eine Anti-Gasbildungs-Additiv und ein zweites Additiv enthalten. In einem Beispiel kann die Salzsystem LiPF6 und ein Co-Salz enthalten. Weiterhin enthält die Lösung ein Lösungsmittelsystem.As described above, the electrolyte composition is a non-aqueous electrolyte solution and may include an additive system and a salt system. The additive system may include a first additive containing a sulfonyl group, vinylene carbonate, an anti-gassing additive and a second additive. In one example, the salt system may contain LiPF 6 and a Co salt. Furthermore, the solution contains a solvent system.

Das wenigstens eine erste Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, kann die Beschickung des Vinylencarbonat reduzieren bei gleichzeitiger Erhaltung guter SEI Entwicklung. Zum Beispiel kann das erste Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, durch die Formel (1) dargestellt werden: R1-A-R2 (1) in welcher R1 und R2 unabhängig voneinander eine Alkylgruppe repräsentieren, die mit einer Arylgruppe oder einem Halogenatom substituiert sein kann; eine Arylgruppe kann mit einer Alkylgruppe oder einem Halogenatom substituiert sein; oder zusammen genommen werden können, um zusammen mit -A-, eine cyclische Struktur zu bilden, die ferner eine ungesättigte Bindung enthalten kann, wobei ”A” durch eine Formel repräsentiert wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend:

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undThe at least one first additive containing a sulfonyl group can reduce the charge of the vinylene carbonate while maintaining good SEI development. For example, the first additive containing a sulfonyl group can be represented by the formula (1): R 1 -AR 2 (1) wherein R 1 and R 2 independently represent an alkyl group which may be substituted with an aryl group or a halogen atom; an aryl group may be substituted with an alkyl group or a halogen atom; or taken together to form, together with -A-, a cyclic structure which may further contain an unsaturated bond, wherein "A" is represented by a formula selected from the group comprising:
Figure DE102015014294A1_0002
and

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Figure DE102015014294A1_0003

R1 oder R2 kann eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen sein, die speziell als eine Methylgruppe, Ethylgruppe, Propylgruppe, Isopropylgruppe und Butylgruppe beispielhaft dargestellt werden kann. Beispiele für eine Arylgruppe, die die Alkylgruppe substituieren kann, schließen eine Phenylgruppe, Naphthylgruppe und Anthranylgruppe ein, unter diesen ist die Phenyl-Gruppe bevorzugt. Beispiele für ein Halogenatom, das die Alkylgruppe substituieren kann, schließen Fluor, Chlor und Brom ein. Eine Mehrzahl dieser Substituenten kann die Alkylgruppe ersetzen, und eine gleichzeitige Substitution durch eine Arylgruppe und Halogengruppe ist ebenfalls zulässig.R 1 or R 2 may be an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, which may be exemplified specifically as a methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group and butyl group. Examples of an aryl group which can substitute the alkyl group include a phenyl group, naphthyl group and anthranyl group, among them, the phenyl group is preferable. Examples of a halogen atom which can substitute the alkyl group include fluorine, chlorine and bromine. A plurality of these substituents can replace the alkyl group, and simultaneous substitution by an aryl group and halogen group is also permissible.

Die cyclische Struktur, die von R1 und R2 miteinander und zusammen mit -Agebunden geformt wird, ist von der Art eines viergliedrigen oder größeren Rings und kann eine Doppelbindung oder Dreifachbindung enthalten. Beispiele für eine gebundene Gruppe, die durch die miteinander gebundenen R1 und R2 gebildet ist, schließen CH2--, --CH2CH2CH2--, --CH2CH2CH2CH2--, --CH2CH2CH2CH2CH2--, --CH=CH--, --CH=CHCH2--, --CH2CH=CHCH2--, und --H2H2≡CCH2CH2-- ein. Ein oder mehrere Wasserstoffatome in diesen Gruppen können durch Alkylgruppe (n), Halogenatom (e), eine Arylgruppe (n) und so weiter ersetzt werden.The cyclic structure formed by R 1 and R 2 with each other and together with -Abunden is of the kind of a four-membered or larger ring and may contain a double bond or triple bond. Examples of bound group formed by the bound together R1 and R2 include CH 2 -, --CH 2 CH 2 CH 2 -, --CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 -, --CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 -, --CH = CH--, --CH = CHCH 2 -, --CH 2 CH = CHCH 2 -, and --H 2 H 2 ≡CCH 2 CH 2 - one. One or more hydrogen atoms in these groups may be replaced by alkyl group (s), halogen atom (s), aryl group (s) and so on.

Spezielle Beispiele für das Molekül mit ”A”, wie durch die Formel (2) dargestellt werden, umfassen lineare Sulfite. Z. B. Dimethylsulfit, Diethylsulfit, Ethylmethylsulfit, Methylpropylsulfit, Ethylpropylsulfit, Diphenylsulfit, Methyl-Phenyl-Sulfit, Ethyl-Sulfit, Dibenzyl Sulfit, Benzyl-methyl-Sulfit und Benzylethylsulfit; cyclischen Sulfite, wie Ethylensulfit, Propylensulfit, Butylen-Sulfit, Vinylen-Sulfit, Phenylethylen-Sulfit, 1-Methyl-2-Phenyl-ethylen-Sulfit und 1-Ethyl-2-Phenyl-ethylen-Sulfit; und Halogeniden solcher linearer und cyclischer Sulfite.Specific examples of the molecule having "A" as represented by the formula (2) include linear sulfites. For example, dimethyl sulfite, diethyl sulfite, ethyl methyl sulfite, methyl propyl sulfite, ethyl propyl sulfite, diphenyl sulfite, methyl phenyl sulfite, ethyl sulfite, dibenzyl sulfite, benzyl methyl sulfite and benzyl ethyl sulfite; cyclic sulfites such as ethylene sulfite, propylene sulfite, butylene sulfite, vinylene sulfite, phenylethylene sulfite, 1-methyl-2-phenyl ethylene sulfite and 1-ethyl-2-phenyl ethylene sulfite; and halides of such linear and cyclic sulfites.

Spezielle Beispiele für das Molekül mit ”A”, wie durch die Formel (3) dargestellt werden, umfassen lineare Sulfone wie Dimethylsulfon, Diethylsulfon, Ethylmethyl-Sulfon, Methylpropylsulfon, Ethylpropylsulfon, Diphenylsulfon, Methylphenylsulfon, Ethylphenylsulfon Dibenzyl-Sulfon, Benzyl-methyl-sulfon und Benzyl Ethylsulfon: cyclische Sulfone wie Sulfolan, 2-Methylsulfolan, 3-Methylsulfolan, 2-Ethyl Sulfolan, 3-Ethyl Sulfolan, 2,4-Dimethyl-Sulfolan, Sulfolen, 3-Methyl Sulfolen, 2-Phenyl-Sulfolan und 3-Phenyl-Sulfolan; und Halogeniden solcher linearen und cyclischen Sulfone.Specific examples of the molecule having "A" as represented by the formula (3) include linear sulfones such as dimethylsulfone, diethylsulfone, ethylmethylsulfone, methylpropylsulfone, ethylpropylsulfone, diphenylsulfone, methylphenylsulfone, ethylphenylsulfone dibenzylsulfone, benzylmethylsulfone and benzyl ethyl sulfone: cyclic sulfones such as sulfolane, 2-methylsulfolane, 3-methylsulfolane, 2-ethyl sulfolane, 3-ethyl sulfolane, 2,4-dimethyl sulfolane, sulfolene, 3-methyl sulfolene, 2-phenyl sulfolane and 3- phenyl sulfolane; and halides of such linear and cyclic sulfones.

Spezielle Beispiele für das Molekül mit ”A”, wie durch die Formel (A) dargestellt werden, umfassen lineare Sulfonsäureester wie Methylmethansulfonat, Ethylmethansulfonat, Propylmethansulfonat, Methyl-Ethansulfonat, Ethyl-Ethansulfonat, Propyl-Ethansulfonat, Methylbenzolsulfonat, Ethylbenzolsulfonat, Propyl-Benzolsulfonat Phenyl-Methansulfonat, Ethansulfonat-Phenyl, Phenyl-propansulfonat, Methyl-Benzylsulfonat, Ethyl-Benzylsulfonat, Propyl-Benzylsulfonat, Benzyl-Methansulfonat, Benzyl-Ethansulfonat und Benzyl-Propansulfonat; cyclische Sulfonsäureester, wie 1,3-Propansulton, 1,4-Butansulton, 3-Phenyl-1,3-Propansulton und 4-Phenyl-1,4-Butansulton; und Halogeniden solcher linearen und cyclischen Sulfonsäureester.Specific examples of the molecule having "A" as represented by the formula (A) include linear sulfonic acid esters such as methyl methane sulfonate, ethyl methane sulfonate, propyl methane sulfonate, methyl ethane sulfonate, ethyl ethane sulfonate, propyl ethane sulfonate, methyl benzene sulfonate, ethyl benzene sulfonate, propyl benzenesulfonate phenyl Methanesulfonate, ethanesulfonate-phenyl, phenyl-propanesulfonate, methyl-benzylsulfonate, ethyl-benzylsulfonate, propyl-benzylsulfonate, benzyl-methanesulfonate, benzyl-ethanesulfonate and benzyl-propanesulfonate; cyclic sulfonic acid esters such as 1,3-propanesultone, 1,4-butanesultone, 3-phenyl-1,3-propanesultone and 4-phenyl-1,4-butanesultone; and halides of such linear and cyclic sulfonic acid esters.

Spezielle Beispiele für das Molekül mit ”A”, wie durch die Formel (5) dargestellt, umfassen Kettenschwefelsäureester, wie Dimethylsulfat, Diethylsulfat, Ethyl-Methylsulfat, Methyl-Propyl-Sulfat, Ethylpropylether-Sulfat, Methyl-Phenyl-Sulfat, Ethylphenyl-Sulfat, Phenylpropyl-Sulfat, Benzylmethylsulfat und Benzyl-Ethylsulfat; cyclische Schwefelsäureester, wie Ethylenglycol-Schwefelsäureester, 1,2-Propandiol Schwefelsäureester, 1,3-Propandiol-Schwefelsäureester, 1,2-Butandiol-Schwefelsäureester, 1,3-Butandiol-Schwefelsäureester, 2,3-Butandiol-Schwefelsäureester, Phenylethylen-Glykol Schwefelsäureester, methylphenylethylene-Glykol-Schwefelsäureester und Ethylphenylethylen-Glykol Schwefelsäureester; und Halogenide solcher kettenförmiger und cyclischer Schwefelsäureester.Specific examples of the molecule having "A" as represented by the formula (5) include chain sulfuric acid esters such as dimethyl sulfate, diethyl sulfate, ethyl methyl sulfate, methyl propyl sulfate, ethyl propyl ether sulfate, methyl phenyl sulfate, ethyl phenyl sulfate , Phenylpropyl sulfate, benzylmethylsulfate and benzyl-ethylsulfate; cyclic sulfuric acid esters such as ethylene glycol-sulfuric acid ester, 1,2-propanediol, sulfuric acid ester, 1,3-propanediol-sulfuric acid ester, 1,2-butanediol-sulfuric acid ester, 1,3-butanediol-sulfuric acid ester, 2,3-butanediol-sulfuric acid ester, phenylethylene glycol Sulfuric acid ester, methylphenylethylene glycol sulfuric acid ester and ethylphenylethylene glycol sulfuric acid ester; and halides of such chain and cyclic sulfuric acid esters.

Das durch die Formel (1) dargestellte Molekül kann einzeln verwendet werden oder zwei oder mehr solcher Moleküle können in Kombination in der Elektrolytzusammensetzung verwendet werden.The molecule represented by the formula (1) may be used singly or two or more of such molecules may be used in combination in the electrolyte composition.

Das erste Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, dargestellt durch die Formel (1) werden als Ethylensulfit, Dimethylsulfit, Sulfolan, Sulfolen und Sulton exemplifiziert.The first additive containing a sulfonyl group represented by the formula (1) is exemplified as ethylene sulfite, dimethyl sulfite, sulfolane, sulfolene and sultone.

Die Menge des ersten durch die Formel (1) dargestellten Additivs, das in dem organischen Lösungsmittel der nicht-wässrigen Elektrolytlösung enthalten ist, ist vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0,05 bis 100 Vol., 0,05 bis 60 Vol.-%, 0,1 bis 15 Vol.-% oder 0,5 bis 2 Vol.-%. Alternativ ist das erste Additiv in einem Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-%, 0,1 bis 3 Gew.-%, oder 0,1 bis 1 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung. Einige der ersten Zusatzstoffe durch die Formel (1) dargestellt werden, sind bei Raumtemperatur fest, derartige Moleküle werden vorzugsweise in einer Menge gleich oder niedriger als die Sättigungslöslichkeit für das organische Lösungsmittel verwendet, und mehr bevorzugt bei 60 Gew.-% der Sättigungslöslichkeit oder niedriger und noch mehr bevorzugt 30 Gew.-% oder niedriger. Somit bleibt der Zusatzstoff gelöst und in Lösung in dem organischen Lösungsmittel über eine erwarteten Einsatztemperaturbereichs, wie beispielsweise zwischen –30°C und +60°C.The amount of the first additive represented by the formula (1) contained in the organic solvent of the nonaqueous electrolytic solution is preferably within a range of 0.05 to 100 vol., 0.05 to 60 vol.%, 0.1 to 15 vol.% Or 0.5 to 2 vol.%. Alternatively, the first additive is in a range of 0.1 to 5 wt%, 0.1 to 3 wt%, or 0.1 to 1 wt% of the electrolyte composition. Some of the first additives represented by the formula (1) are solid at room temperature, such molecules are preferably used in an amount equal to or lower than the saturation solubility for the organic solvent, and more preferably at 60% by weight of the saturation solubility or lower and more preferably 30% by weight or lower. Thus, the additive remains dissolved and in solution in the organic solvent over an expected use temperature range, such as between -30 ° C and + 60 ° C.

Vinylencarbonat ist effizient bei der Passivierung der Kohlenstoff-basierten Anode während des anfänglichen Ladens und kann damit eine Zersetzung des Zusatzstoffes reduzieren, indem die SEI weniger löslich gemacht wird. Vinylencarbonat kann bei 0,1 bis 5 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung zugesetzt werden. Die Vinylencarbonat-Menge kann so eingestellt werden, dass das Verhältnis zwischen dem Vinylencarbonat und dem Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe (VC: -A-) optimiert ist, um die Beschickungsmenge von Vinylencarbonat zu reduzieren, während immer noch eine überlegene SEI Schicht zur verbesserten Zellzyklen-Effizienz aufrecht erhalten wird. In einem Beispiel kann das Verhältnis zwischen VC: A- 1:1 sein. In einem anderen Beispiel kann das Verhältnis zwischen VC: -A- 2:1,5 sein. In noch einem anderen Beispiel kann das Verhältnis zwischen VC: -A- 2:1 sein.Vinylene carbonate is efficient in passivating the carbon-based anode during initial charging and can thus reduce decomposition of the additive by rendering the SEI less soluble. Vinylene carbonate may be added at 0.1 to 5 weight percent of the electrolyte composition. The amount of vinylene carbonate can be adjusted so that the ratio between the vinylene carbonate and the additive containing a sulfonyl group (VC: -A-) is optimized to reduce the loading amount of vinylene carbonate while still providing a superior SEI layer for improved cell cycling Efficiency is maintained. In one example, the ratio between VC: A can be 1: 1. In another example, the ratio between VC: -A- may be 2: 1.5. In yet another example, the ratio between VC: -A- may be 2: 1.

Ferner kann in dem Additivsystem das Anti-Gasbildungsmittel dem Elektrolyt zugegeben werden, um die Gasbildung während der Lebensdauer der Zelle reduzieren. In einigen Beispielen können Anti-Gasbildungsmittel in einer Weise wirken, dass katalytische Zentren in kathodenaktiven Materialien deaktiviert werden. Obwohl Anti-Gasbildungsmittel typischerweise die Impedanz der Zelle erhöhen, liefert die vorliegend offenbarte Elektrolytzusammensetzung ein verbessertes und/oder gleichbleibendes Impedanzniveau. Insbesondere ermöglicht die Elektrolyt-Zusammensetzung der vorliegenden Offenbarung eine verringerte Beladung eines Anti-Gasbildungsmittel, das zusammen mit der spezifischen Kombination des Additivs und des Salzsystems die Zellenimpedanz weiter reduziert.Further, in the additive system, the anti-gas nucleating agent may be added to the electrolyte to reduce gas formation during the life of the cell. In some examples, anti-gassing agents may act to deactivate catalytic sites in cathode-active materials. Although anti-gassing agents typically increase the impedance of the cell, the presently disclosed electrolyte composition provides an improved and / or consistent level of impedance. In particular, the electrolyte composition of the present disclosure allows for reduced loading of an anti-gasliquoring agent which, together with the specific combination of the additive and the salt system, further reduces cell impedance.

In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das Anti-Gasbildungsmittel in weniger als 2,0 Gew.-%, weniger als 1,5 Gew.-% oder weniger als 1,0 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung vorliegen. Beispielsweise kann das Anti-Gasbildungsmittel aus mindestens einem von 1,5,2,4-Dioxadithiane2,2,3,3-Tetraoxide (MMDS), Prop-1-en-1,3-Sulton ausgewählt werden (PRS), oder 1,3 Propansulton. In einem anderen Beispiel kann das Anti-Gasbildungsmittel mindestens einen oder mehrere der Stoffe 1,5,2,4-dioxadithiane-2,2,3,3-tetraoxid (MMDS), Prop-1-en-1,3-Sulton (PRS), oder 1,3-Propansulton umfassen.In some exemplary embodiments, the anti-gassing agent may be present in less than 2.0 wt%, less than 1.5 wt%, or less than 1.0 wt% of the electrolyte composition. For example, the anti-gassing agent may be selected from at least one of 1,5,2,4-dioxadithiane 2,2,3,3-tetraoxides (MMDS), prop-1-ene-1,3-sultone (PRS), or 1 , 3 propane sultone. In another example, the anti-gassing agent may comprise at least one or more of the substances 1,5,2,4-dioxadithiane-2,2,3,3-tetraoxide (MMDS), prop-1-ene-1,3-sultone ( PRS), or 1,3-propane sultone.

In anderen Beispielen können andere Anti-Gasbildungsmittel gewählt werden, die die Gasbildung während der Lebensdauer der Zelle reduzieren. In einem Beispiel kann 1,3-Propansulton eingesetzt werden. Das Anti-Gasbildungsmittel kann sich von dem zumindest einen ersten Additiv unterscheiden, das eine Sulfonylgruppe enthält und zusätzlich zu dem Additiv verwendet werden, das eine Sulfonylgruppe enthält. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anti-Gasbildungsmittel und das Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe in verschiedenen Rollen innerhalb des Elektrolyt wirken kann.In other examples, other anti-gassing agents may be chosen which reduce gas formation over the life of the cell. In one example, 1,3-propane sultone can be used. The anti-gas generating agent may be different from the at least one first additive containing a sulfonyl group and used in addition to the additive containing a sulfonyl group. It should be noted that the anti-gas-generating agents and the additive containing a sulfonyl group can act in different roles within the electrolyte.

Darüber hinaus kann das Additivsystem, wie weiter oben dargelegt, ein zweites Additiv enthalten. Ein zweites Additiv kann verwendet werden, um die Beschickungsmenge von Vinylencarbonat zu reduzieren und gleichzeitig eine gute SEI-Entwicklung aufrechtzuerhalten, um die Zellzyklen-Effizienz zu verbessern. Das zweite Additiv kann mit weniger als 5 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung vorliegen. Zum Beispiel kann das zweite Additiv mit 0,1–5,0 Gew.-% vorhanden sein. In einer Ausführungsform kann mehr als ein zweiter Zusatzstoff verwendet werden, der die Impedanz weiter reduziert, unter Beibehaltung der Gasunterdrückung und guter Zyklus-Lebensdauer über einen weiten Temperaturbereich. In einem Beispiel kann Fluorethylencarbonat (FEC) als zweites Additiv enthalten sein.In addition, as set forth above, the additive system may contain a second additive. A second additive can be used to reduce the loading amount of vinylene carbonate while maintaining good SEI development to improve cell cycle efficiency. The second additive may be present at less than 5% by weight of the electrolyte composition. For example, the second additive may be present at 0.1-5.0 wt%. In one embodiment, more than one second additive can be used which further reduces impedance while maintaining gas suppression and good cycle life over a wide temperature range. In one example, fluoroethylene carbonate (FEC) may be included as a second additive.

Zusätzlich zu dem Additiv-System umfasst die Elektrolytzusammensetzung ein Salzsystem. Das Salzsystem umfasst ein Lithiumsalz und ein Co-Salz. Insbesondere umfasst das für die nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendete Salzsystem ein Lithiumsalz in Kombination mit einem Co-Salz, wobei es unwahrscheinlich ist, dass das Co-Salz Lewis-saure Zerfallsprodukte als Produkt der Zersetzung erzeugt. Das ausgewählte Salzsystem behält die Vorteile des Lithiumsalzes, beispielsweise LiPF6 Salz, durch Kombination des Lithiumsalzes mit einem Co-Salz, das die Nachteile des LiPF6 nicht zeigt. Durch Auswahl eines Co-Salzes in Kombination mit dem Lithiumsalz ist es möglich, die starken, von Zersetzungsmechanismen des LiPF6 stammenden Lewis-Säuren, wie PF5 und OPF3, zu adressieren.In addition to the additive system, the electrolyte composition comprises a salt system. The salt system includes a lithium salt and a co-salt. In particular, the salt system used for the nonaqueous electrolytic solution comprises a lithium salt in combination with a Co salt, whereby the Co salt is unlikely to produce Lewis acid decomposition products as a product of decomposition. The selected salt system retains the benefits of the lithium salt, for example LiPF 6 salt, by combining the lithium salt with a Co salt, which does not show the disadvantages of LiPF 6 . By selecting a Co salt in combination with the lithium salt, it is possible to address the strong Lewis acids derived from LiPF 6 decomposition mechanisms, such as PF 5 and OPF 3 .

Das Lithiumsalz kann ausgewählt werden, um vorteilhafte Eigenschaften analog zu denen der LiPF6 zu haben. Beispielsweise kann das Lithiumsalz aus der Gruppe bestehend aus LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, LiN(CFSO2)(C4F9SO2) und LiC(CF3SO2)2 ausgewählt werden. The lithium salt can be selected to have advantageous properties analogous to those of LiPF 6 . For example, the lithium salt may be selected from the group consisting of LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN (CFSO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ) and LiC (CF 3 SO 2 ) 2 are selected.

Das Co-Salz kann aus Salzen mit mindestens einem oder mehreren der folgenden Eigenschaften ausgewählt werden: ein Salz, das sich nicht leicht zersetzt; ein Salz, das nicht Lewis-saure Arten während der Zersetzung erzeugt, was die Gasbildung über einen Elektrolytzersetzungs-Pfad weiter reduziert; ein Salz, das resistent ist gegenüber protischen Lösungsmitteln oder protischen Verunreinigungen im Lösungsmittelsystem; ein Salz, das von Natur aus wenig gasbildend ist; und ein Salz, das eine gute Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen hat und die Impedanz in der Zelle nicht erhöht, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Ferner kann das ausgewählte Co-Salz eine oder mehrere der folgenden weiteren Eigenschaften haben: hohe Löslichkeit in kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln, gute Leitfähigkeit über einen Bereich von Temperaturen, und die Impedanz nicht erhöht. Beispielsweise kann ein Co-Salz gewählt werden, das keine Lewis-saures Zersetzungsprodukte bei der Zersetzung produziert oder erzeugt. In einem Beispiel kann das Co-Salz gewählt werden, das keine Lewis-saures Zersetzungsprodukte während Thermolyse produziert.The Co salt can be selected from salts having at least one or more of the following properties: a salt that does not readily decompose; a salt that does not generate Lewis acidic species during decomposition, which further reduces gas formation via an electrolyte decomposition pathway; a salt which is resistant to protic solvents or protic impurities in the solvent system; a salt that is by nature less gas-forming; and a salt that has good conductivity at low temperatures and does not increase the impedance in the cell, especially at low temperatures. Further, the selected Co salt may have one or more of the following other properties: high solubility in carbonaceous solvents, good conductivity over a range of temperatures, and not increasing impedance. For example, a co-salt may be chosen that does not produce or produce any Lewis acid decomposition products upon decomposition. In one example, the Co salt can be chosen that does not produce Lewis acidic decomposition products during thermolysis.

Als ein Beispiel und nicht als eine Einschränkung kann das Co-Salz beispielsweise Imidsalze, Triflatsalze, Organoborat-Salze und deren fluorierte Analoga enthalten. Fallbeispiele von Imidsalzen können Bis(Trifluormethan)-Sulfonamid-Lithiumsalz (LiTFSI) und Lithiumbis-Pentafluorethansulfonylimid (LiBETI) enthalten. Fallbeispiele von Triflatsalzen können Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO3CF3) enthalten. Fallbeispiele für Organo-Boratsalzen können Lithium-bisoxalatoborat (LiBOB) und deren fluorierte Analoga wie Lithiumdifluorobisoxalataoborat (LIFOB) enthalten.By way of example and not limitation, the Co salt may include, for example, imide salts, triflate salts, organoborate salts and their fluorinated analogs. Case examples of imide salts may include bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt (LiTFSI) and lithium bis-pentafluoroethanesulfonyl imide (LiBETI). Examples of triflate salts may include lithium trifluoromethanesulfonate (LiSO 3 CF 3 ). Examples of organo borate salts may include lithium bisoxalatoborate (LiBOB) and their fluorinated analogs such as lithium difluorobisoxalate borate (LIFOB).

In einer bestimmten Ausführungsform kann das Salzsystem LiPF6 und ein Sulfonamid-Lithiumsalz enthalten. Als weiteres, nicht einschränkendes, spezielles Beispiel kann das Salzsystem LiPF6 und LiTFSI enthalten.In a particular embodiment, the salt system may contain LiPF 6 and a sulfonamide lithium salt. As another non-limiting, specific example, the salt system LiPF6 and LiTFSI may contain.

Das Salz-System kann das Lithiumsalz mit bis zu 2,0 M, oder 0,5 M bis 1,5 M oder 0,5 M bis 1,0 M enthalten. Das Co-Salz kann als Bruchteil der gesamten molaren Beladung der Salze im Salzsystem vorliegen. Das Co-Salz kann mit bis zu 0,25 M oder 0,05 M bis 0,15 M vorhanden sein.The salt system may contain the lithium salt at up to 2.0 M, or 0.5 M to 1.5 M or 0.5 M to 1.0 M. The Co salt can be present as a fraction of the total molar loading of the salts in the salt system. The Co salt may be present at up to 0.25 M or 0.05 M to 0.15 M.

Zusätzlich zum Additiv-System und Salzsystem kann ein organisches Lösungsmittelsystem in der Elektrolytzusammensetzung enthalten sein. Beispiele für organische Lösungsmittel beinhalten cyclische Carbonate wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat und Butylencarbonat; Ketten-Carbonate wie Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Ethylmethylcarbonat; cyclische Ester, wie γ-Valerolacton; Ketten-Ester wie Methylacetat und Methylpropionat; cyclische Ether, wie Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Tetrahydropyran; Kettenether wie Dimethoxyethan und Dimethoxymethan; cyclischen Phosphorsäureester, wie Ethylen-Methyl-Phosphat und Ethyl-Ethylen-Phosphat; Kettenphosphorsäureester wie Trimethylphosphat und Triethylphosphat; Halogenide davon; schwefelhaltige, organische Lösungsmittel, die nicht durch die Formel (1) und durch Vinylethylencarbonat (VEC) und Fluorethylencarbonat (FEC), Poly(ethylenglycol)diacrylat vertreten sind. Diese organischen Lösungsmittel können einzeln verwendet werden, oder zwei oder mehr solcher Lösungsmittel können in Kombination verwendet werden.In addition to the additive system and salt system, an organic solvent system may be included in the electrolyte composition. Examples of organic solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate; Chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; cyclic esters, such as γ-valerolactone; Chain esters such as methyl acetate and methyl propionate; cyclic ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and tetrahydropyran; Chain ethers such as dimethoxyethane and dimethoxymethane; cyclic phosphoric acid esters such as ethylene-methyl-phosphate and ethyl-ethylene-phosphate; Chain phosphoric acid esters such as trimethyl phosphate and triethyl phosphate; Halides thereof; sulfur-containing organic solvents not represented by the formula (1) and by vinyl ethylene carbonate (VEC) and fluoroethylene carbonate (FEC), poly (ethylene glycol) diacrylate. These organic solvents may be used singly or two or more of such solvents may be used in combination.

In einem Ausführungsbeispiel kann die Elektrolytzusammensetzung ein Co-Salz, das LiPF6 und LiTFSI, ein Lösungsmittelsystem einschließlich Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC) und Propylencarbonat (PC), Ethylen-Sulfit (ES) als eine Sulfonylgruppe enthaltendes Additiv vorliegend, Vinylencarbonat (VC) und Fluorethylencarbonat (FEC) als zusätzliches Additiv und 1,3-Propansulton (PS) als Anti-Gasbildungsmittel beinhalten.In one embodiment, the electrolyte composition may include a Co salt containing LiPF 6 and LiTFSI, a solvent system including ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC), ethylene sulfite (ES) as a sulfonyl group Additive present, vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC) as an additional additive, and 1,3-propane sultone (PS) as an anti-gassing agent.

Die wiederaufladbare Batterie enthält eine positive Elektrode. In einigen Beispielen kann das positive, elektrochemisch aktives Material ein Lithiummetalloxid sein. Zum Beispiel kann Lithiumkobaltoxid, LiCoO2 als positives, elektrochemisch aktives Material verwendet werden. In anderen Beispielen kann das positive, elektrochemisch aktive Material ein Lithium-Übergangsmetall-Oxoanion-Material (lithium transition metal oxoanion material) sein, ausgewählt aus der Gruppe:

  • (a) eine Zusammensetzung aus Lix(M'1-aM''a)y(XO4)z, Lix(M'1-aM''a)y(OXO4)z oder Lix(M'1-aM''a)y(X2O7)z, mit einer Leitfähigkeit bei 27°C von mindestens etwa 10–8 S/cm, wobei M' ein Übergangsmetall der ersten Reihe ist, X mindestens ein Phosphor, Schwefel, Arsen, Bor, Aluminium, Silizium, Vanadium, Molybdän und Wolfram ist, M'' eines oder mehrere der Gruppe IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB und VIB Metall, 0,0001 < a ≤ 0,1 und x, y und z größer als 0 sind und Werte haben, so dass x plus y(1 – a)-mal der formellen Wertigkeit oder Wertigkeiten von M' plus ya-mal die formellen Wertigkeit oder Wertigkeiten von M'' gleich z-mal der formellen Wertigkeit von XO4, X2O7 oder der OXO4-Gruppe ist;
  • (b) eine Zusammensetzung aus (Li1-aM''a)xM'y(XO4)z, (Li1-aM''a)xM'y(OXO4)z, oder (Li1-aM''a)xM'y(X2O7)z, mit einer Leitfähigkeit bei 27°C von mindestens etwa 10 < –8 > S/cm, wobei M' eine Übergangsmetall der ersten Reihe ist, X mindestens ein Phosphor, Schwefel, Arsen, Bor, Aluminium, Silizium, Vanadium, Molybdän und Wolfram ist, M'' ist eines oder mehrere der Gruppe IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB und VIB Metall, 0,0001 < a ≤ 0,1 und x, y und z größer als 0 sind und Werte haben, so dass x plus y(1 – a)-mal der formellen Valenz oder Wertigkeit von M' plus ya-mal der formellen Valenz oder Wertigkeit von M'' gleich z-mal die formale Wertigkeit von XO4, X2O7 oder der OXO4-Gruppe ist;
  • (c) eine Zusammensetzung aus (Lib-a)M''a)xM'y(XO4)z, (Lib-a)M''a)xM'y(OXO4)z, oder (Lib-a)M''a)xM'y(X2O7)z, mit einer Leitfähigkeit bei 27 ° C von mindestens etwa 10–8 S/cm, wobei M' ein Übergangsmetall der ersten Reihe ist, X mindestens ein Phosphor, Schwefel, Arsen, Bor, Aluminium, Silizium, Vanadium, Molybdän und Wolfram, M'' eines oder mehrere der Gruppe IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB und VIB Metall ist, 0,0001 < a ≤ 0,1, a ≤ b ≤ 1, und x, y und z größer als 0 sind und solche Werte haben, dass (b – a)x plus y(1 – a)-mal der formellen Valenz oder Wertigkeit von M' plus ya-mal die formale Wertigkeit oder Wertigkeiten von M'' gleich z-mal die formale Wertigkeit des XO4, X2O7 oder OXO4 Gruppe ist.
The rechargeable battery contains a positive electrode. In some examples, the positive, electrochemically active material may be a lithium metal oxide. For example, lithium cobalt oxide, LiCoO 2 can be used as a positive, electrochemically active material. In other examples, the positive, electrochemically active material may be a lithium transition metal oxoanion material selected from the group:
  • (a) a composition of Li x (M ' 1-a M " a ) y (XO 4 ) z , Li x (M' 1-a M" a ) y (OXO 4 ) z or Li x (M ' 1-a M'' a ) y (X 2 O 7 ) z , having a conductivity at 27 ° C of at least about 10 -8 S / cm, where M' is a first row transition metal, X is at least one phosphorus, Sulfur, arsenic, boron, aluminum, silicon, vanadium, molybdenum and tungsten, M "is one or more of Group IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB and VIB Metal, 0.0001 <a ≤ 0.1 and x, y and z are greater than 0 and have values such that x plus y (1 - a) times the formal valence or valences of M 'plus ya times the formal valence or valences of M''equal to z times the formal valency of XO 4 , X 2 O 7 or the OXO 4 group is;
  • (b) a composition of (Li 1-a M " a ) x M ' y (XO 4 ) z , (Li 1-a M" a ) x M " y (OXO 4 ) z , or (Li 1 -a M " a ) x M ' y (X 2 O 7 ) z , having a conductivity at 27 ° C of at least about 10 -8 S / cm, where M' is a first row transition metal, X is at least is phosphorus, sulfur, arsenic, boron, aluminum, silicon, vanadium, molybdenum and tungsten, M "is one or more of Group IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB , VB and VIB metal, 0.0001 <a ≤ 0.1 and x, y and z are greater than 0 and have values such that x plus y (1 - a) times the formal valence or valence of M 'plus ya times the formal valence or valency of M "is equal to z times the formal valency of XO 4 , X 2 O 7 or the OXO 4 group;
  • (c) a composition comprising (Li ba) M '' a) x M 'y (XO 4) z, (Li ba) M''a) x M' y (OXO 4) z, or (Li ba) M '' a ) x M ' y (X 2 O 7 ) z , having a conductivity at 27 ° C of at least about 10 -8 S / cm, where M' is a first row transition metal, X is at least one phosphorus, sulfur, Arsenic, boron, aluminum, silicon, vanadium, molybdenum and tungsten, M '' is one or more of Group IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB and VIB metal, 0.0001 <a ≦ 0.1, a ≦ b ≦ 1, and x, y and z are greater than 0 and have such values that (b - a) x plus y (1 - a) times the formal valence or valency of M 'plus ya times the formal valence or valences of M''equal to z times the formal valence of the XO 4 , X 2 O 7 or OXO 4 group.

In anderen Fallbeispielen ist das aktive Kathodenmaterial eine Lithium-Übergangsmetallphosphatverbindung, die die Formel (Li1-xZx)MPO4 hat, wobei M eines oder mehrere aus Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel ist, Z eines oder mehrere aus Titan, Zirkon, Niob, Aluminium, Tantal, Wolfram oder Magnesium, und x sich von 0 bis 0,05 bewegt oder Li1-xMPO4, wobei M aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel besteht; und 0 ≤ x ≤ 1.In other case examples, the cathode active material is a lithium transition metal phosphate compound having the formula (Li 1-x Z x ) MPO 4 , where M is one or more of vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, and nickel, Z is one or more of titanium, zirconium, niobium, aluminum, tantalum, tungsten or magnesium, and x ranges from 0 to 0.05 or Li 1-x MPO 4 , where M is selected from the group consisting of vanadium, chromium, manganese, iron Cobalt and nickel; and 0 ≤ x ≤ 1.

In einem anderen Beispiel ist das positive, elektrochemisch aktive Material Lithiummetallphosphat, beispielsweise Lithiumeisenphosphat. Das positive, elektrochemisch aktive Material kann als Pulver oder Teilchen mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 5 m2/g, 10 m2/g, oder größer als 15 m2/g, oder größer als 20 m2/g, oder sogar mehr als 30 m2/g vorliegen.In another example, the positive, electrochemically active material is lithium metal phosphate, for example, lithium iron phosphate. The positive, electrochemically active material may be in the form of powder or particles having a specific surface area of more than 5 m 2 / g, 10 m 2 / g, or greater than 15 m 2 / g, or greater than 20 m 2 / g, or even more than 30 m 2 / g are present.

Zum Beispiel kann die Kathode ein Lithium-Metallphosphat enthalten. In einem Fallbeispiel kann das Lithiummetallphosphat Lithiumeisenphosphat LiFePO4 sein. Ferner kann die LiFePO4 eine Olivin-Struktur aufweisen und hergestellt werden in Form von sehr kleinen Partikeln mit hoher spezifischer Oberfläche, die in ihrer entlithiierten (delithiated) Form außerordentlich stabil sind, sogar bei erhöhten Temperaturen und in Gegenwart von oxidierbaren organischen Lösungsmitteln, z. B. Elektrolyt, wodurch ein sichererer Li-Ionen-Batterie mit einer sehr hohen Ladungs- und Entladungsratenfähigkeit ermöglicht wird, aber es zeigt auch eine ausgezeichnete Beibehaltung seiner Lithium-Einlagerungs- und Auslagerungskapazität während vieler hundert oder sogar tausender High-Rate-Zyklen.For example, the cathode may contain a lithium metal phosphate. In one case example, the lithium metal phosphate may be lithium iron phosphate LiFePO 4 . Further, the LiFePO 4 may have an olivine structure and be prepared in the form of very small particles with high specific surface area, which are extremely stable in their delithiated form, even at elevated temperatures and in the presence of oxidizable organic solvents, e.g. Electrolyte, thereby enabling a safer Li-ion battery with very high charge and discharge rate capability, but also showing excellent retention of its lithium storage and aging capacity during many hundreds or even thousands of high-rate cycles.

Die wiederaufladbare Batterie enthält eine negative Elektrode, die in der Lage ist Lithium einzulagern und freizugeben. Beispielsweise kann die Anode elektrochemisch aktive Graphit- oder Silizium-/Graphitmaterialien enthalten. In einem Fallbeispiel, in dem ein graphit-kohlenstoffhaltiges Material verwendet wird, ein künstliches Graphit, hergestellt aus weichem (graphitisierbarem) Pech verschiedener Herkunft, produziert durch ausglühen, gereinigtes natürliches Graphit; oder es können diese Graphite, die einer Vielzahl von Oberflächenbearbeitungen unterzogen wurden, verwendet werden.The rechargeable battery contains a negative electrode capable of storing and releasing lithium. For example, the anode may contain electrochemically active graphite or silicon / graphite materials. In a case example in which a graphitic carbonaceous material is used, an artificial graphite made of soft (graphitizable) pitch of various origins produced by annealing, purified natural graphite; or these graphites which have undergone a variety of surface treatments can be used.

Es gibt keine Einschränkung für das Verfahren zur Herstellung der negativen oder positiven Elektrode unter Verwendung der oben erwähnten aktiven Materialien. In einem Fallbeispiel wird das elektroaktive Material mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material, Lösungsmittel etc. vermischt, um einen Suspension vorzubereiten, wobei der Suspension dann auf einem Trägermaterial aus einem Stromabnehmer aufgestrichen wird, worauf Trocknung folgt, um die Elektrode herzustellen. Ferner kann ein solches Elektrodenmaterial einer Walzprofilierung oder Formpressung unterworfen werden, um jeweils zu einer Folie oder einem Pellet verarbeitet zu werden.There is no limitation on the method of producing the negative or positive electrode using the above-mentioned active materials. In one case example, the electroactive material is mixed with a binder, a conductive material, solvent, etc., to prepare a suspension, which is then spread on a support material from a current collector, followed by drying to produce the electrode. Further, such an electrode material may be subjected to roll forming or compression molding to be processed into a film or a pellet, respectively.

Die Bindemitteltypen für die Herstellung der Elektroden sind nicht besonders eingeschränkt, solange sie stabil sind gegenüber dem Lösungsmittel und der Elektrolytlösung, die bei der Herstellung der Elektrode verwendet werden. Beispiele für das Bindemittel umfassen harzartige Polymere, wie Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, aromatischem Polyamid und Cellulose; kautschukartige Polymere, wie Styrol-Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk, Butadien-Kautschuk und Ethylen-Propylen-Kautschuk; thermoplastische Elastomer-Polymere, wie Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymer und dessen hydriertes Produkt, Styrol-Ethylen-Styrol-Blockcopolymer und dessen hydriertes Produkt; flexible harzige Polymere wie syndiotaktische 1,2-Polybutadien, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer und Propylen-α-Olefin (mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen) – Copolymer; und Fluorkohlenstoffpolymere, wie Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen und Polytetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer.The binder types for the production of the electrodes are not particularly limited as long as they are stable to the solvent and the electrolytic solution used in the production of the electrode. Examples of the binder include resinous polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, aromatic polyamide and cellulose; rubbery polymers such as styrene-butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber and ethylene-propylene rubber; thermoplastic elastomeric polymers such as styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene-ethylene-styrene block copolymer and its hydrogenated product; flexible resinous polymers such as syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene-vinyl acetate copolymer and propylene-α-olefin (having 2 to 12 carbon atoms) - copolymer; and fluorocarbon polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene and polytetrafluoroethylene-ethylene copolymer.

Als Bindemittel kann man auch eine Polymerzusammensetzung verwenden, die eine Alkalimetallionen-Leitfähigkeit (insbesondere eines Lithium-Ions) hat. Als solche, ionenleitende Polymerzusammensetzungen können sie in einem aus polymeren Verbindungen wie Lithiumsalz oder mit einem Alkalimetallsalz gemachten Verbundsystem in Kombination verwendet werden.As a binder, it is also possible to use a polymer composition having an alkali metal ion conductivity (in particular, a lithium ion). As such, ion-conductive polymer compositions may be used in combination in a composite system made of polymeric compounds such as lithium salt or with an alkali metal salt.

Das negative Elektrodenmaterial und das Bindemittel kann auf verschiedene Weisen gemischt werden. Zum Beispiel können Teilchen von beidem gemischt oder Partikel aus dem Material der negativen Elektrode mit faserigem Bindemittel verschlungen werden, um eine Mischung zu erzeugen, oder es kann eine Schicht des Bindemittels auf der Oberfläche der Partikel der negativen Elektrode abgelagert werden. In einem Fallbeispiel kann das Mischungsverhältnis des Bindemittels zu dem Material der negativen Elektrode 0,1 bis 30 Gew.-% des Materials der negativen Elektrode sein. In einem anderen Beispiel kann das Mischungsverhältnis des Bindemittels zu dem Material der negativen Elektrode 0,5 bis 10 Gew.-% des Materials der negativen Elektrode sein. Zugabe des Bindemittels in Mengen über 30 Gew.-% kann den Innenwiderstand der Elektrode erhöhen und Mengen unter 0,1 Gew.-% kann die Haftfestigkeit zwischen dem Stromabnehmer und dem Material der negativen Elektrode schwächen.The negative electrode material and the binder can be mixed in various ways. For example, particles of both may be mixed or particles of the negative electrode material may be entangled with fibrous binder to form a mixture, or a layer of the binder may be deposited on the surface of the particles of the negative electrode. In a case example, the mixing ratio of the binder to the negative electrode material may be 0.1 to 30% by weight of the negative electrode material. In another example, the mixing ratio of the binder to the negative electrode material may be 0.5 to 10 wt% of the negative electrode material. Addition of the binder in amounts greater than 30% by weight may increase the internal resistance of the electrode and amounts below 0.1% by weight may weaken the adhesive strength between the current collector and the negative electrode material.

Durch Mischen des Materials der negativen Elektrode mit dem Bindemittel kann ein leitfähiges Material zusammen gemischt werden. Da das verwendete, leitfähige Material in der Art nicht eingeschränkt ist, kann das leitfähige Material ein Metall oder ein Nichtmetall sein. Zum Beispiel kann ein metallenes, leitfähiges Material aus metallenen Elementen wie Cu oder Ni zusammengesetzt sein. In einem anderen Beispiel kann ein nichtmetallisches, leitfähiges Material Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, Ruß, Acetylenruß und Ketjen-Ruß ist. Der mittlere Teilchendurchmesser des leitfähigen Materials kann 1 μm oder weniger betragen.By mixing the material of the negative electrode with the binder, a conductive material can be mixed together. Since the conductive material used is not limited in type, the conductive material may be a metal or a nonmetal. For example, a metallic conductive material may be composed of metal elements such as Cu or Ni. In another example, a non-metallic, conductive material may be carbon materials such as graphite, carbon black, acetylene black, and Ketjen black. The average particle diameter of the conductive material may be 1 μm or less.

In einem Beispiel kann ein Mischungsverhältnis des leitenden Materials 0,1 bis 30 Gew.-% des Materials der negativen Elektrode sein. In einem anderen Beispiel kann das Mischungsverhältnis des leitfähigen Materials 0,5 bis 15 Gew.-% des Materials der negativen Elektrode sein. Ein Mischungsverhältnis des leitfähigen Additivs in Mengen über 0,1 Gew.-% kann einen ausreichend gebildeten Leitungspfad zwischen den leitenden Materialien innerhalb der Elektrode bereitstellen.In one example, a mixing ratio of the conductive material may be 0.1 to 30 wt% of the negative electrode material. In another example, the mixing ratio of the conductive material may be 0.5 to 15% by weight of the negative electrode material. A mixing ratio of the conductive additive in amounts greater than 0.1% by weight may provide a sufficiently formed conductive path between the conductive materials within the electrode.

Die oben erwähnte Mischung, die zumindest das Material der negativen Elektrode und das Bindemittel enthält, kann auf einer Stromabnehmerfolie aufgetragen werden. Das Aufbringen der Mischung auf den Stromabnehmer kann mittels Techniken durchgeführt werden, die Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel, wenn das Gemisch eine Suspension ist, kann die Suspension auf den Stromabnehmer durch Walzbeschichtung aufgetragen werden. In einem anderen Beispiel, wenn das Gemisch ein Lösungsmittel enthält, kann das Lösungsmittel getrocknet werden, um das Lösungsmittel zu entfernen, wodurch eine Elektrode vorbereitet werden kann.The above-mentioned mixture containing at least the negative electrode material and the binder may be applied to a current collector foil. The application of the mixture to the current collector may be accomplished by techniques known to those skilled in the art. For example, if the mixture is a suspension, the suspension can be applied to the current collector by roll coating. In another example, when the mixture contains a solvent, the solvent may be dried to remove the solvent, whereby an electrode can be prepared.

Die positive Elektrode, die das positive, elektroaktive Material enthält, hat einen spezifischen Oberflächenbereich der Elektrode, gemessen unter Verwendung der Stickstoffadsorption unter Verwendung der Brunauer-Emmet-Teller(BET)-Methode nach dem Verdichten oder dem Kalandrierschritt, der größer als 5 m2/g ist. Eine positive Elektrode kann einen Durchmesser von weniger als 125 μm, beispielsweise ungefähr 50 μm bis 125 μm, oder zwischen etwa 80 μm bis 100 μm auf jeder Seite des Stromabnehmers und einem Porenvolumenanteil zwischen etwa 40 und 70 Vol.-% haben. Das aktive Material wird in der Regel mit etwa 10–20 mg/cm2, und in der Regel etwa 11–15 mg/cm2 beladen.The positive electrode containing the positive electroactive material has a specific surface area of the electrode measured using nitrogen adsorption using the Brunauer-Emmet-Teller (BET) method after densification or the calendering step, greater than 5 m 2 / g is. A positive electrode may have a diameter of less than 125 μm, for example about 50 μm to 125 μm, or between about 80 μm to 100 μm on each side of the current collector and a pore volume fraction between about 40 and 70% by volume. The active material is typically loaded at about 10-20 mg / cm 2 , and usually about 11-15 mg / cm 2 .

Das negative aktive Material kann aus Pulver oder Teilchen mit einer spezifischen Oberfläche, gemessen mit der Stickstoffadsorption nach Brunauer-Emmet-Teller (BET) Methode, von größer als etwa 2 m2/g oder 4 m2/g bestehen oder sogar etwa 6 m2/g. Die negative Elektrode kann eine Dicke von weniger als 75 μm bis 65 μm, beispielsweise zwischen etwa 20 und 65 μm oder zwischen etwa 40 μm bis 55 μm auf beiden Seiten des Stromabnehmers und einem Porenvolumenanteil zwischen etwa 20 und 40 Vol.-%. Das aktive Material kann typischerweise bei etwa 5–20 mg/cm 2, oder etwa 4–5 mg/cm2 beladen werden.The negative active material may consist of powder or particles having a specific surface area, as measured by nitrogen adsorption according to the Brunauer-Emmet-Teller (BET) method, of greater than about 2 m 2 / g or 4 m 2 / g or even about 6 m 2 / g. The negative electrode may have a thickness of less than 75 μm to 65 μm, for example between about 20 and 65 μm or between about 40 μm to 55 μm on both sides of the current collector and a pore volume fraction between about 20 and 40% by volume. The active material may typically be at about 5-20 mg / cm 2, or about 4-5 mg / cm 2 are loaded.

Es sei angemerkt, dass es keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Herstellungsverfahren der positiven Elektrode und ein ähnliches Verfahren kann für eine negative Elektrode, wie oben beschrieben, verwendet werden.It should be noted that there are no particular limitations on the production methods of the positive electrode, and a similar method may be used for a negative electrode as described above.

Es sei angemerkt, dass es keine spezifischen Beschränkungen für das Ausgangsmaterial oder die Morphologie des Separators für die der vorliegenden Offenbarung verwendete Zelle gibt. Der Separator dient dazu, die negative Elektrode und die positive Elektrode zu trennen, um ihre physikalischen Kontakt zu vermeiden. In einem Beispiel kann ein Separator eine hohe Ionendurchlässigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand haben. Als Materialien für den Separator können vorzugsweise solche ausgewählt werden, die ausgezeichnet bezüglich Stabilität gegenüber der Elektrolytlösung und bezüglich Flüssigkeitshalteeigenschaften sind. Z. B. Vlies oder poröser Film hergestellt aus Polyolefinen, wie Polyethylen und Polypropylen, kann als Separator verwendet werden, in den die Elektrolytlösung imprägniert wird.It should be noted that there are no specific limitations on the starting material or the morphology of the separator for the cell used in the present disclosure. The separator is used to separate the negative electrode and the positive electrode to avoid their physical contact. In one example, a separator may have high ion permeability and low electrical resistance. As materials for the separator, those which are excellent in stability to the electrolytic solution and in liquid holding properties can be preferably selected. For example, non-woven or porous film made of polyolefins such as polyethylene and polypropylene can be used as a separator in which the electrolytic solution is impregnated.

Verfahren zum Herstellen der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösung unter Verwendung einer solchen nicht-wässrigen Elektrolytlösung, negative Elektrode, positive Elektrode, Außenbehälter, und Separator unterliegen keiner speziellen Beschränkung, und können von den üblicherweise verwendeten ausgewählt werden. Die nicht-wässrige Elektrolytzelle der vorliegenden Erfindung kann ferner umfassen eine Dichtung, eine Dichtplatte und ein Zellengehäuse neben einer solchen nicht-wässrigen Elektrolytlösung, negative Elektrode, positive Elektrode, äußere Dose oder Beutelmaterial und Separator. In einem Beispiel kann die nicht-wässrige Elektrolytlösungszelle der vorliegenden Offenbarung als ein Beutel (pouch) aufgrund einer geringen Gasbildung des Elektrolyts über einen weiten Temperaturbereich hergestellt werden.Methods for producing the nonaqueous electrolytic solution using such a nonaqueous electrolytic solution, negative electrode, positive electrode, outer container, and separator are not particularly limited, and may be selected from those commonly used. The non-aqueous electrolyte cell of the present invention may further comprise a gasket, a sealing plate, and a cell case besides such non-aqueous electrolyte solution, negative electrode, positive electrode, outer can or bag material, and separator. In one example, the non-aqueous electrolyte solution cell of the present disclosure may be prepared as a pouch due to low gas formation of the electrolyte over a wide temperature range.

Die hier beschriebene Batterie zeigt vorteilhafte Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich, in dem das Arbeiten der Batterie erwartet wird. Zum Beispiel ist die Batterie in der Lage, zwischen –30° C und +60°C zu arbeiten. Ferner zeigt die Batterie mit der offenbarten Elektrolytlösung reduzierte Gasbildung und niedrigere Impedanz. Abgesenkte Impedanz der Batterie ist sowohl zur Leistungssteigerung bei niedrigeren Temperaturen als auch zur Verlängerung der Batterielebensdauer wichtig. Die vorteilhaften und unerwarteten Eigenschaften können erzielt werden durch eine Elektrolytzusammensetzung, die organische Lösemittel, ein erstes Additiv, enthaltend eine Sulfonylgruppe, Vinylencarbonat, ein Anti-Gasbildungsmittel, eine zweites Additiv zur Reduzierung der Vinylencarbonat-Belastung, und ein Salzsystem, wobei ein Lithiumsalz mit einem Co-Salz kombiniert wird, wobei es für das Co-Salz unwahrscheinlich ist, Lewis-saure Zersetzungsprodukte erzeugen, umfasst. Die Vinylencarbonat Menge kann so eingestellt, dass das Verhältnis zwischen der Zusatzstoff, einer Sulfonylgruppe und Vinylencarbonat optimiert ist, um die Beladung von Vinylencarbonat zu reduzieren, während immer noch eine überlegene SEI Schicht zur verbesserten Zellzyklen Effizienz beibehalten wird.The battery described herein exhibits advantageous characteristics over a wide temperature range in which the operation of the battery is expected. For example, the battery is able to operate between -30 ° C and + 60 ° C. Further, the battery with the disclosed electrolyte solution exhibits reduced gas formation and lower impedance. Lowered impedance of the battery is important for both increasing the performance at lower temperatures and extending battery life. The advantageous and unexpected properties can be achieved by an electrolyte composition containing organic solvents, a first additive containing a sulfonyl group, vinylene carbonate, an anti-gassing agent, a second additive for reducing the vinylene carbonate loading, and a salt system, wherein a lithium salt with a Co-salt is combined, where it is unlikely for the Co salt to produce Lewis acidic decomposition products comprises. The amount of vinylene carbonate can be adjusted to optimize the ratio between the additive, a sulfonyl group and vinylene carbonate to reduce the loading of vinylene carbonate while still maintaining a superior SEI layer for improved cell cycling efficiency.

Im Allgemeinen erzielt eine dickere Elektrodenschicht (und höher aktive Materialbeladung) eine größere Gesamtkapazität für die Batterie. Allerdings erhöhen dickere Schichten auch die Elektrodenimpedanz. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Praxis und in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen, können dicke Schichten mit hoher Kapazität in einer Zelle mit niedriger Impedanz (hohe Rate) verwendet werden. Die Verwendung eines aktiven Materials mit einer hohen spezifischen Oberfläche, unter Beibehaltung eines angemessenen Porenvolumens, erzielt die gewünschte Kapazität ohne Erhöhung der Impedanz zu unvertretbar hohen Werten.In general, a thicker electrode layer (and higher active material loading) will provide a greater total battery capacity. However, thicker layers also increase electrode impedance. In contrast to conventional practice and in accordance with one or more embodiments, high-capacity thick layers may be used in a low-impedance (high-rate) cell. The use of an active material with a high specific surface area, while maintaining an adequate pore volume, achieves the desired capacity without increasing the impedance to unacceptably high levels.

In Bezug auf die Batteriebehälter, ermöglicht die reduzierte Gasbildung der Elektrolytzusammensetzung den Einsatz in Beuteln (pouches), wie auch andere Konstruktionen.With regard to the battery containers, the reduced gas formation of the electrolyte composition allows the use in pouches, as well as other constructions.

Die Auswahl der organischen Lösungsmittel in dem Elektrolyt ist auch bei der Verringerung der Impedanz wichtig. In einigen Ausführungsformen ist der Elektrolyt vorteilhafterweise frei von γ-Butyrolacton, da γ-Butyrolacton einer reduktive Oxidation an der negativen Elektrode unterliegen kann, wenn die Batterie geladen wird (siehe Petibon et al, Journal of the Electrochemical Society, 160 (1) A117Al24 (2013) ). Die resultierenden Zersetzungsprodukte können zu einer Verstopfung des Separators führen. Die Verstopfung kann dann den Oberflächenwiderstand der negativen Elektrode erhöhen und erhöht damit die Impedanz an der Anode, was zu erheblichem Kapazitätsverlust beim Ladezyklus führt.The selection of organic solvents in the electrolyte is also important in reducing impedance. In some embodiments, the electrolyte is advantageously free of γ-butyrolactone since γ-butyrolactone may undergo reductive oxidation at the negative electrode when the battery is charged (see Petibon et al, Journal of the Electrochemical Society, 160 (1) A117Al24 (2013) ). The resulting decomposition products can lead to blockage of the separator. The clogging can then increase the surface resistance of the negative electrode, thereby increasing the impedance at the anode, resulting in significant capacity loss in the charging cycle.

Außerdem führt die Verwendung des Additivs wie durch Formel (1) repräsentiert zusätzlich zu Vinylencarbonat (VC) in nicht-wässrigen, organischen Elektrolyten zu stabilen, niedrigerohmigen Lithiumionenbatterien. Ohne durch irgendeine spezielle Theorie gebunden zu sein, scheint es, dass das Additiv die Impedanz senkt durch Reaktion mit der Anode unter Schaffung einer SEI, die mehr ionisch leitfähig ist als bei einem Elektrolyt ohne das Additiv. Zusätzlich ist VC effizient bei Passivierung der Kohlenstoff basierten Anode während der anfänglichen Aufladung. VC verhindert, dass der Zusatzstoff zersetzt, indem die SEI weniger löslich gemacht wird.In addition, the use of the additive as represented by formula (1), in addition to vinylene carbonate (VC) in non-aqueous organic electrolytes, results in stable, low-resistance lithium-ion batteries. Without being bound by any particular theory, it appears that the additive lowers the impedance by reacting with the anode to provide a more ionically conductive SEI than an electrolyte without the additive. In addition, VC is efficient in passivating the carbon based anode during the initial charge. VC prevents the additive from decomposing by making the SEI less soluble.

Die SEI stammt aus der thermodynamischen Instabilität graphitbasierter Anoden in organischen Elektrolyt. Beim ersten Aufladen der Batterie, was als Formation bezeichnet wird, reagiert das Graphit mit dem Elektrolyt. Dies bildet eine poröse Passivierungsschicht, die als eine Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) bezeichnet wird, die die Anode vor weiteren Angriffen schützt, den Ladestrom moderiert und den Strom beschränkt. Diese Reaktion verbraucht auch wenig Lithium. Bei hohen Temperaturen, oder wenn die Batterie ganz nach unten bis auf Null-Ladung („deep cycling”) läuft, kann sich die SEI teilweise in dem Elektrolyt auflösen. Bei hohen Temperaturen kann sich der Elektrolyt auch zersetzen und Nebenreaktionen beschleunigen, was möglicherweise zu thermischer Instabilität führt. Wenn die Temperaturen niedriger werden, wird sich eine andere Schutzschicht bilden, kann jedoch mehr Lithium verbrauchen, was zu höheren Kapazitätsverlusten führt. Somit ist die Stabilität der SEI bei hohen Temperaturen, ein Vorteil des hierin beschriebenen Batterie, bei der Erhöhung der Lebensdauer der Batterie wichtig. Ferner stellt die hier beschriebene Batterie über einen weiten Temperaturbereich verringerte Gasbildung bereit.The SEI comes from the thermodynamic instability of graphite-based anodes in organic electrolyte. When the battery is first charged, which is called a formation, the graphite reacts with the electrolyte. This forms a porous passivation layer, referred to as a solid electrolyte interface (SEI), which protects the anode from further attack, moderates the charge current, and limits current. This reaction also consumes little lithium. At high temperatures, or when the battery is running all the way down to zero cycling, the SEI may partially dissolve in the electrolyte. At high temperatures, the electrolyte may also decompose and accelerate side reactions, possibly leading to thermal instability. As the temperatures get lower, another layer of protection will form, but may consume more lithium, resulting in higher capacity losses. Thus, the stability of the SEI at high temperatures, an advantage of the battery described herein, is important in increasing the life of the battery. Furthermore, the battery described herein provides reduced gas formation over a wide temperature range.

Wenn jedoch die SEI-Schicht zu stark verdickt, wird sie tatsächlich zu einem Hindernis für die Lithiumionen, indem die die Impedanz erhöht. Die Dicke der SEI Schicht kann die Stromleistung beeinflussen, was für Elektrofahrzeuge wichtig ist.However, if the SEI layer thickens too much, it actually becomes an obstacle to the lithium ions by increasing the impedance. The thickness of the SEI layer can affect the power output, which is important for electric vehicles.

Ein Weg, um Zellenimpedanz zu definieren ist es, die flächenspezifische Impedanz zu messen. Impedanzwerte für die gesamte Zelle oder für bestimmte Übergänge bestimmt werden, wie beispielsweise die Anode oder die Kathode. Flächenspezifische Impedanz (ASI) ist die Impedanz einer Vorrichtung normalisiert bezüglich der Oberfläche und wird als die Impedanz, gemessen bei 1 kHz (Ω) definiert, unter Verwendung eines LCZ-Messgeräts oder Frequenzganganalysators, multipliziert mit dem Oberflächenbereich der gegenüberliegenden Elektroden (cm2). Diese Messung wird in der Regel durch Aufbringen einer kleinen (beispielsweise 5 mV) sinusförmigen Spannung an die Zelle und Messung des resultierenden Stroms durchgeführt. Die sich ergebende Reaktion kann durch in-Phase- und out-of-Phase-Komponenten beschrieben werden. Die In-Phase (reale oder ohmsche) Komponente der Impedanz bei 1 kHz wird dann mit der Oberfläche von gegenüberliegenden Elektroden multipliziert (cm2), um die flächenspezifische Impedanz zu ergeben. Die flächenspezifische Impedanz kann benutzt werden, um die Impedanz an der Anode oder an der Kathode zu bestimmen.One way to define cell impedance is to measure the area specific impedance. Impedance values are determined for the entire cell or for certain transitions, such as the anode or the cathode. Area Specific Impedance (ASI) is the impedance of a device normalized to the surface and is defined as the impedance measured at 1 kHz (Ω) using an LCZ meter or frequency response analyzer multiplied by the surface area of the opposing electrodes (cm 2 ). This measurement is typically performed by applying a small (for example, 5 mV) sinusoidal voltage to the cell and measuring the resulting current. The resulting reaction can be described by in-phase and out-of-phase components. The in-phase (real or resistive) component of the impedance at 1 kHz is then reacted with the surface of opposing electrode multiplied (cm 2) to give the area-specific impedance. The area specific impedance can be used to determine the impedance at the anode or at the cathode.

In einem Aspekt wird die wiederaufladbare Batterie in einem Batteriesystem benutzt, das als ein Mikrohybrid-Batterie operiert. Micro-Hybrid-Batterien (oder Fahrzeuge mit Start-Stopp-Funktion) ermöglichen, den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zu stoppen, wenn das Fahrzeug steht, wie zum Beispiel an einer Ampel, wobei Kraftstoff von bis zu 10% gespart wird im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen. Wenn der Fahrer das Bremspedal freigibt, um das Gas drücken, wird der Motor schnell wieder gestartet, bevor sich das Fahrzeug vorwärts bewegt. Während die Entwicklung der frühen Generation von Mikro-Hybriden auf glatten Motorneustart fokussiert war, versuchen Systeme der nächsten Generation, die Bremsenergie als einen Weg zu noch größerer Kraftstoffersparnis zu nutzen. Die vorhandene Blei-Mikro-Hybrid-Batterie-Technologie führt zu einigen Designbeschränkungen, weil nicht sehr schnell geladen werden kann und der größte Teil der Fahrzeugbremsenergie immer noch verloren geht. Batterien mit Lithium-Ionen-Chemie haben eine viel höhere Rate der Ladungsaufnahme und sind damit positionier, um die nächste Generation Micro-Hybrid-Systeme mit höheren Raten der Kraftstoffverbrauchs-Verbesserung zu unterstützen.In one aspect, the rechargeable battery is used in a battery system that operates as a micro hybrid battery. Micro-hybrid batteries (or vehicles with start-stop function) allow the vehicle's internal combustion engine to stop when the vehicle is stationary, such as at a traffic light, saving fuel of up to 10% compared to conventional vehicles , When the driver releases the brake pedal to depress the gas, the engine is quickly restarted before the vehicle moves forward. While the development of the early generation of micro-hybrids has focused on smooth engine restart, next-generation systems are trying to harness the braking energy as a way to even greater fuel economy. The existing lead micro hybrid battery technology has some design limitations because it can not charge very fast and most of the vehicle braking energy is still lost. Li-ion chemistry batteries have a much higher rate of charge acceptance and are thus positioned to support the next generation micro-hybrid systems with higher rates of fuel economy improvement.

Mikrohybrid-Batterien können als Starterbatterien für Kraftfahrzeugmotoren verwendet werden. Ihre Nähe zu dem Motor und den Ort unter der Haube ermöglicht oft nicht Platz für sperrige Wärmemanagement-Schaltung. Somit muss die Batterie in der Lage sein, den Motor ohne Wärmezufuhr bei kalten Umgebungstemperaturen zu starten, bis zu –30°C. Zusätzlich muss die Batterie in der Lage sein, über längere Zeiträume unter den Temperaturen eines laufenden Automotors (bis zu 60°C) ohne äußere Kühlung zu arbeiten. Herkömmlichen Lithiumionen-Batterien leiden unter hoher Impedanz bei niedrigen Temperaturen, die ihre Fähigkeit, einen Motor zu starten reduziert. Zusätzlich führen Designs zur Leistungserhöhung bei niedriger Temperatur in Lithiumionen-Batterien häufig zu kurzer Lebensdauer bei hoher Temperatur. Obwohl Bleibatterien die Kaltstartfähigkeiten verbessert haben, leiden sie unter kurzer Lebensdauer im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien für Start-Stop-Anwendungen.Micro hybrid batteries can be used as starter batteries for automotive engines. Their proximity to the engine and the location under the hood often does not allow for bulky heat management circuitry. Thus, the battery must be able to start the engine without heat supply at cold ambient temperatures, down to -30 ° C. In addition, the battery must be able to operate for extended periods of time under the temperatures of a running car engine (up to 60 ° C) without external cooling. Conventional lithium ion batteries suffer from high impedance at low temperatures, which reduces their ability to start a motor. In addition, low temperature power boost designs in lithium ion batteries often result in short high temperature service life. Although lead-acid batteries have improved the cold-start capabilities, they suffer short-term lifetimes compared to lithium-ion batteries for start-stop applications.

Das nicht-wässrige Elektrolytlösungs-Zelle der vorliegenden Erfindung weist ausgezeichnete Tieftemperatur-Eigenschaften und Langzeitstabilität auf, sowie ausgezeichnete Zykluseigenschaften, wenn sie in ein Mikrohybrid-Batterie-System verwendet wird. Diese Technologie verbessert den Erfolg der Lithium-Ionen-Batterien in Mikrohybriden, insbesondere als Starterbatterien, weil sie die Kaltleistung der Batterie steigert, so dass sie den Motorstart des Fahrzeugs selbst bei schlimmsten Kalt-Temperaturen ermöglicht. Zusätzlich ist die Verlängerung der Lebensdauer der Batterie bei hohen Temperaturen wesentlich, da ein gemeinsamer Unterbringungsort für Starterbatterien der Motorraum ist, wo die Temperaturen während des Fahrzeugbetriebs in der Regel höher sind als die Umgebungstemperaturen. Ferner hat die nicht-wässrige Elektrolytlösung der Zelle der vorliegenden Erfindung eine geringe Gasentwicklung über den Temperaturbereich.The nonaqueous electrolyte solution cell of the present invention has excellent low temperature properties and long term stability, as well as excellent cycle characteristics when used in a micro hybrid battery system. This technology improves the success of lithium-ion batteries in micro-hybrids, especially as starter batteries, because it increases the cold performance of the battery, allowing it to start the engine even in the worst cold temperatures. In addition, extending the life of the battery at high temperatures is essential because a common location for starter batteries is the engine compartment, where temperatures during vehicle operation are typically higher than ambient temperatures. Further, the non-aqueous electrolyte solution of the cell of the present invention has low gas evolution over the temperature range.

Die vorliegende Anmeldung wird im Einzelnen unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert. Materialien, Mengen von Verwendungen, Verhältnisse, Operationen und so weiter, die nachfolgend beschrieben werden, können verändert werden, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist daher nicht auf spezielle nachstehend beschriebene Beispiele beschränkt. Die offenbarte Elektrolytzusammensetzung ist bei jeder Form der Batterie, z. B. prismatisch, Knopfzelle, Dosen, Beutel, usw. anwendbar. The present application will be explained in detail with reference to the following examples. Materials, amounts of uses, ratios, operations, and so forth, described below, may be changed without departing from the spirit of the present invention. The scope of the present invention is therefore not limited to specific examples described below. The disclosed electrolyte composition is useful in any form of battery, e.g. B. prismatic, button cell, cans, bags, etc. applicable.

Ein Beispiel für einen Elektrolytzusammensetzung ist unten angegeben. Der Elektrolytzusammensetzung bewirkt niedrige Gasbildung über einen weiten Temperaturbereich. Die Elektrolytzusammensetzung mit über einen weiten Temperaturbereich reduzierter Gasbildung ist ein Beispiel für einen Elektrolyt, wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben.An example of an electrolyte composition is given below. The electrolyte composition causes low gas formation over a wide temperature range. The electrolyte composition having gas formation reduced over a wide temperature range is an example of an electrolyte as described in the present application.

BEISPIEL 1EXAMPLE 1

Elektrolytzusammensetzungelectrolyte composition

Ein Beispiel einer Elektrolytzusammensetzung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst LiPF 6 bei 1,0 M, LiTFSI in 0,15 M, EC 40 Vol.-%, EMC bei 45 Vol.-%, DEC bei 10 Vol.-%, PC bei 5 Vol.-%, ES bei 1,5 Gew.-%, VC bei 1 Gew.-%, und PS bei 1,5 Gew.-%.An example of an electrolyte composition according to the present disclosure includes LiPF 6 at 1.0 M, LiTFSI at 0.15 M, EC 40% by volume, EMC at 45% by volume, DEC at 10% by volume, PC at 5 Vol .-%, ES at 1.5 wt .-%, VC at 1 wt .-%, and PS at 1.5 wt .-%.

Der Elektrolytzusammensetzung wird mit Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen verglichen, wie nachfolgend und in den 1 bis 10 erläutert. Die Elektrolytzusammensetzung zeigt verbesserte Eigenschaften bei Tests bei niedriger Temperatur und hoher Temperatur gegenüber den Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen.The electrolyte composition is compared to control electrolyte compositions, as described below and in U.S. Patent Nos. 4,199,866 and 5,629,644 1 to 10 explained. The electrolyte composition exhibits improved properties in low temperature, high temperature tests over the control electrolyte compositions.

Eine erste Kontroll-Elektrolytzusammensetzung umfasst LiPF6 bei 1,15 M, EC bei 30 Vol.-%, EMC bei 55 Vol.-%, DEC bei 10 Vol.-%, PC bei 5 Vol.-%, ES bei 1 Gew.-% und VC bei 2 Gew.-%.A first control electrolyte composition comprises LiPF 6 at 1.15 M, EC at 30% by volume, EMC at 55% by volume, DEC at 10% by volume, PC at 5% by volume, ES at 1% by weight % and VC at 2% by weight.

Die erste Kontroll-Elektrolytzusammensetzung enthält ein erstes Additiv, das eine Sulfonylgruppe umfasst, ES, aber enthält nicht die Salzlösung oder den Antigaszusatz der aktuellen Anwendung.The first control electrolyte composition contains a first additive comprising a sulfonyl group, ES, but does not contain the saline or anti-gas additive of the current application.

Eine zweite Kontroll-Elektrolytzusammensetzung umfasst LiPF6 bei 1,15 M, EC bei 35 Vol.-%, EMC bei 40 Vol.-%, DMC mit 20 Vol.-%, PC bei 5 Vol.-%, VC bei 2,5 Gew.-%, Triphenylphosphit (TPPI) bei 0,2 Gew.-% und PS bei 2 Gew.-%. Die zweite Kontroll-Elektrolytzusammensetzung enthält PS, enthält jedoch nicht einen ersten Zusatzstoff, eine Sulfonylgruppe oder ein Salzsystems.A second control electrolyte composition comprises LiPF 6 at 1.15 M, EC at 35 vol%, EMC at 40 vol%, DMC at 20 vol%, PC at 5 vol%, VC at 2, 5 wt .-%, triphenyl phosphite (TPPI) at 0.2 wt .-% and PS at 2 wt .-%. The second control electrolyte composition contains PS but does not contain a first additive, a sulfonyl group or a salt system.

Das obige Beispiel Elektrolyt und Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen werden in der folgenden Figurenbeschreibungen referiert. Die Zellen können unter Verwendung von Lithiumeisenphosphat(LFP)-Kathoden mit Graphitanoden oder Nickel-Kobaltmetall(NCM)-Kathoden mit Graphitanoden konstruiert werden. Anderen Kathoden/Anoden-Kombinationen möglich.The above example of electrolyte and control electrolyte compositions are referred to in the following figure descriptions. The cells can be constructed using graphite anode lithium iron phosphate (LFP) cathodes or graphite nickel-cobalt metal (NCM) cathodes. Other cathode / anode combinations possible.

In 1 wird eine anfänglicher Kapazitätsverlust für die Bildung und Qualifizierung von einer Zelle mit einer Lithiumeisenphosphat(LFP)-Kathode und einer Graphitanode gezeigt. Eine LFP/Graphitzelle wurde mit der in Beispiel 1 beschriebenen Elektrolytzusammensetzung und eine andere LFP/Graphitzelle wurde mit der ersten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung hergestellt. Der Anfangskapazitätsverlust für den neuen Elektrolyt mit reduzierter Gasbildung während der Formierung 101 und der Qualifizierung 102 zeigt einen verbesserten Anfangskapazitätsverlust im Vergleich zu der ersten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung bei Formation 103 und Qualifizierung 104.In 1 there is shown an initial capacity loss for the formation and qualification of a cell with a lithium iron phosphate (LFP) cathode and a graphite anode. One LFP / graphite cell was made with the electrolyte composition described in Example 1, and another LFP / graphite cell was made with the first control electrolyte composition. The initial capacity loss for the new electrolyte with reduced gas formation during formation 101 and the qualification 102 shows improved initial capacity loss compared to the first control electrolyte composition in formation 103 and qualification 104 ,

In 2 wird ein anfänglicher Kapazitätsverlust für die Formierung und Qualifizierung von einer Zelle mit einer Nickel-Kobalt-Mangan(NCM)-Kathode und Graphit-Anode dargestellt. Eine NCM/Graphitzelle wurde mit dem Elektrolytzusammensetzung wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt und eine andere NCM/Graphitzelle wurde mit der zweiten Steuerelektrolytzusammensetzung hergestellt. Der Anfangskapazitätsverlust für den neuen reduzierten Gasbildung-Elektrolyt 201 zeigt einen verbesserten Anfangskapazitätsverlust im Vergleich zur zweiten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung 202.In 2 An initial capacity loss for the formation and qualification of a cell with a nickel-cobalt-manganese (NCM) cathode and graphite anode is shown. An NCM / graphite cell was made with the electrolyte composition as described in Example 1, and another NCM / graphite cell was made with the second control electrolyte composition. The initial capacity loss for the new reduced gas formation electrolyte 201 shows improved initial capacity loss compared to the second control electrolyte composition 202 ,

Somit zeigen die Anfangskapazitäts-Verlustdaten, wie in den 1 und 2 dargestellt ist, dass die neue Elektrolytzusammensetzung einen besseren Anfangskapazitätsverlust im Vergleich zu den ersten und zweiten Kontroll-Elektrolytzusammensetzungen unter verschiedenen Testbedingungen ergeben.Thus, the initial capacity loss data as shown in FIGS 1 and 2 It is shown that the new electrolyte composition gives better initial capacity loss compared to the first and second control electrolyte compositions under various test conditions.

In 3, ist eine Wechselstromwiderstand/Gleichstromwiderstand (ACR/DCR) Impedanz Parität zwischen der neuen Elektrolytzusammensetzung und der zweiten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung in LFP/Graphit-Zellen veranschaulicht. Die neue Elektrolytzusammensetzung zeigt ähnliche oder niedrigere Impedanzmessungen sowohl für den DCR (Quadrate) und ACR (Rauten) im Vergleich zu dem ersten Kontrollektrolyt. In 3 , an AC resistance / DC resistance (ACR / DCR) impedance parity between the new electrolyte composition and the second control electrolyte composition in LFP / graphite cells is illustrated. The new electrolyte composition shows similar or lower impedance measurements for both the DCR (squares) and ACR (diamonds) compared to the first control electrolyte.

In 4, ist eine ACR Impedanz für Zellen mit dem Elektrolyt in Beispiel 1 veranschaulicht. Gegenüber dem zweiten Kontrollelektrolyt 402 für Zellen mit NCM Kathoden und Graphitanoden, zeigt die neue Elektrolytzusammensetzung 401 eine verbesserte ACR Impedanz in NCM/Graphit-Zellen.In 4 , an ACR impedance for cells with the electrolyte is illustrated in Example 1. Opposite the second control electrolyte 402 for cells with NCM cathodes and graphite anodes, shows the new electrolyte composition 401 an improved ACR impedance in NCM / graphite cells.

Somit behält/verringert die neue Elektrolytzusammensetzung die Impedanz, wie in den 3 und 4 dargestellt ist.Thus, the new electrolyte composition retains / reduces the impedance as in the 3 and 4 is shown.

In den 5A und 5B ist ein Hybrid-Pulsstromfähigkeits(HPPC)-Test bei 23°C für eine 1 Sekunde Impulsleistung (5A) veranschaulicht, und 10 Sekunden Impulsleistung (5B). Die neue Elektrolytzusammensetzung 501 zeigt eine Abnahme in DCR während des HPPC Tests im Vergleich zu der ersten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung 502. Alle Elektrolyte wurden in einer LFP/Graphitzelle verwendet.In the 5A and 5B is a hybrid pulse current capability (HPPC) test at 23 ° C for a 1 second pulse power ( 5A ) and 10 seconds of pulse power ( 5B ). The new electrolyte composition 501 shows a decrease in DCR during the HPPC test compared to the first control electrolyte composition 502 , All electrolytes were used in an LFP / Graphite cell.

In den 6A und 6B, ein Hybrid-Pulsstromfähigkeits(HPPC)-Test bei –20°C für eine 1 Sekunde Impulsleistung veranschaulicht (6A), und 10 Sekunden Impulsleistung (6B). Die neue Elektrolytzusammensetzung 601 zeigt eine signifikante Abnahme der DCR im HPPC Tests im Vergleich zu der ersten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung 602. So zeigt die neue Elektrolytzusammensetzung eine verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen. Alle Elektrolyte wurden in einer LFP/Graphitzelle verwendet.In the 6A and 6B , illustrates a hybrid pulse current capability (HPPC) test at -20 ° C for a 1 second pulse power ( 6A ), and 10 seconds of pulse power ( 6B ). The new electrolyte composition 601 shows a significant decrease in DCR in HPPC tests compared to the first control electrolyte composition 602 , Thus, the new electrolyte composition exhibits improved low temperature performance. All electrolytes were used in an LFP / Graphite cell.

In 7, die Leistung bei 70% Ladezustand (SOC) während des Kaltstarts bei –30°C dargestellt. Die neue Elektrolytzusammensetzung 701 (durchgezogene Linien), die mit dem oberen Pfeil markiert ist, zeigt erhöhte Leistung im Vergleich zu den ersten Kontroll-Elektrolytsammensetzung 702 (gestrichelte Linien), markiert mit Pfeil unten. So zeigt die neue Elektrolytzusammensetzung eine verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen.In 7 , the performance at 70% state of charge (SOC) during the cold start at -30 ° C shown. The new electrolyte composition 701 (solid lines) marked with the upper arrow shows increased performance compared to the first control electrolyte composition 702 (dashed lines), marked with arrow below. Thus, the new electrolyte composition exhibits improved low temperature performance.

In 8 ist der Strom während des Kaltstarts bei –30°C für NCM/Graphit-Zellen dargestellt. Die neue Elektrolytzusammensetzung 801 zeigt ungefähr eine Leistungssteigerung von 20% bei Kaltstart im Vergleich zu der zweiten Kontroll-Elektrolytzusammensetzung 802. Folglich zeigt die neue Elektrolytzusammensetzung eine verbesserte Leistung bei niedrigen Temperaturen.In 8th the current during cold start is shown at -30 ° C for NCM / graphite cells. The new electrolyte composition 801 shows approximately a 20% increase in cold start performance compared to the second control electrolyte composition 802 , Consequently, the new electrolyte composition exhibits improved low temperature performance.

In 9 ist die Zykluslebensdauer der NCM Kathode/Graphit-Anodenzellen dargestellt. Der neue Elektrolyt, schwarze Linien 901, zeigt eine verbesserte Lebensdauer im Vergleich zum zweiten Kontroll-Elektrolyt, graue Linien 902. Somit kann die neue Elektrolytzusammensetzung die Zykluslebensdauer verlängern.In 9 the cycle life of the NCM cathode / graphite anode cells is shown. The new electrolyte, black lines 901 , shows an improved lifetime compared to the second control electrolyte, gray lines 902 , Thus, the new electrolyte composition can extend the cycle life.

In 10 wird das Gasvolumen nach der Lagerung bei 55°C in LFP/Graphitzellen veranschaulicht. Die neue Elektrolytzusammensetzung 1001, 1002, 1003 bietet ein Gasbildungsniveau, das im Laufe der Zeiten Zeit0, Zeit1 und Zeit2 im Einklang ist mit anderen, akzeptablen Elektrolyten für den Einsatz in Beutelkonstruktionen, wie beispielsweise die zweite Kontroll-Elektrolytzusammensetzung 1004, 1005, 1006. Somit ergibt die neue Elektrolytzusammensetzung geringe Gasbildung.In 10 The gas volume after storage at 55 ° C in LFP / graphite cells is illustrated. The new electrolyte composition 1001 . 1002 . 1003 provides a gas formation level consistent with other acceptable electrolytes for use in bag designs, such as the second control electrolyte composition, over the course of Time0, Time1, and Time2 1004 . 1005 . 1006 , Thus, the new electrolyte composition gives little gas formation.

Die offenbarte Elektrolytzusammensetzung umfasst ein Additivsystem und Salzsystem, das ein gering-gasbildendes Cyclussystem mit weitem Temperaturbereich bietet. In einem Beispiel umfasst die offenbarte Zusammensetzung eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, die eine Sulfonyl-Gruppe, ein Anti-Gasbildungsmittel, ein zweites Additiv und ein Salzsystem beinhaltet. Das Anti-Gasbildungsmittel kann die Gasbildung des Additivs, das eine Sulfonylgruppe enthält, verringern, während das Salzsystem, das ein Co-Salz enthält, die Menge an LiPF6 verringern kann und wobei das Co-Salz wahrscheinlich nicht Lewis-saure Zersetzungsprodukte erzeugen wird. Ferner wird in einigen Beispielen ein zweites Additiv, wie zum Beispiel FEC, verwendet, um die Impedanz zu reduzieren und die SEI-Schicht zu verstärken.The disclosed electrolyte composition includes an additive system and salt system that provides a low gas-forming, wide temperature range cycling system. In one example, the disclosed composition comprises a non-aqueous electrolyte solution that includes a sulfonyl group, an anti-gassing agent, a second additive, and a salt system. The anti-gassing agent can reduce the gas formation of the additive containing a sulfonyl group, while the salt system containing a co-salt can reduce the amount of LiPF 6 and the co-salt is unlikely to produce Lewis acid decomposition products. Further, in some examples, a second additive, such as FEC, is used to reduce the impedance and strengthen the SEI layer.

Wie oben kurz erwähnt, kann die neue Elektrolytzusammensetzung in einer Anzahl unterschiedlicher Typen von Batteriekonstruktionen verwendet werden, einschließlich in einer Beutelkonstruktion. Zum Beispiel können die Anti-Gasbildungseigenschaften der offenbarten Zusammensetzung im speziellen die Verwendung in einem Beutel verbessern.As briefly mentioned above, the new electrolyte composition can be used in a number of different types of battery designs, including in a bag design. For example, the anti-gassing properties of the disclosed composition can specifically improve use in a pouch.

Eine beispielhafte Beutelkonstruktion zur Verwendung mit der offenbarten Elektrolytzusammensetzung wird zur Referenz in 11 veranschaulicht. Der Beutel umschließt positive und negative Elektrodenblätter und wird um die positiven und negativen Elektroden abgedichtet. Zum Beispiel kann das Beutelmaterial laminierte Schichten umfassen, die mindestens ein Polyethylen, Nylon, und Aluminiumfolie beinhalten. In einem Beispiel können die inneren Komponenten hermetisch innerhalb eines Gehäuses, das aus dem Beutelmaterial besteht, verschlossen werden. Andere geeignete Materialien können verwendet werden, um die inneren Komponenten der Zelle zu versiegeln. An exemplary bag construction for use with the disclosed electrolyte composition is incorporated by reference in FIG 11 illustrated. The bag encloses positive and negative electrode sheets and is sealed around the positive and negative electrodes. For example, the bag material may comprise laminated layers including at least one of polyethylene, nylon, and aluminum foil. In one example, the inner components may be hermetically sealed within a housing made of the bag material. Other suitable materials can be used to seal the internal components of the cell.

Das Diagramm in 11 zeigt verschiedene Komponenten eines Beispiels einer komplett prismatischen Batteriezelle 200, umfassend die Sammellaschen 304a, 304b, Verlängerungslaschen 308a, 308b, Schweißabschnitt 604a, 604b und Streifen 504a, 504b. Eine Beutelkonstruktion kann reißanfällig sein, wenn starke Gasbildung in der Zelle vorhanden ist. Die Verwendung der offenbarten Elektrolytzusammensetzung in der Tasche bietet reduzierte Gasbildung, verbesserte/beibehaltene Impedanz, verbesserte Kaltstartleistung und Nutzung über einen weiten Temperaturbereich.The diagram in 11 shows various components of an example of a completely prismatic battery cell 200 comprising the collection tabs 304a . 304b , Extension tabs 308a . 308b , Welding section 604a . 604b and stripes 504a . 504b , A bag construction can be susceptible to seizure if there is strong gas formation in the cell. The use of the disclosed electrolyte composition in the pocket provides reduced gas formation, improved / retained impedance, improved cold-start performance, and use over a wide temperature range.

Die vorhergehende Erörterung sollte als Veranschaulichung verstanden werden und nicht als in irgendeiner Weise einschränkend betrachtet werden. Während die Erfindungen unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon genauer dargestellt und beschrieben wurden, wird es von Fachleuten verstanden werden, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail darin vorgenommen werden können ohne von Grundgedanken und Anwendungsbereich der Erfindungen, wie durch die Ansprüche definiert, abzuweichen.The foregoing discussion should be understood as illustrative and not be construed as limiting in any way. While the inventions have been more particularly described and described with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the inventions as defined by the claims.

Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Aktivitäten und Äquivalente aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den nachfolgenden Ansprüchen sollen jegliche Struktur, Material oder Aktivitäten zum Durchführen der Funktionen in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, wie spezifisch beansprucht, umfassen.The corresponding structures, materials, activities and equivalents of all means or steps plus functional elements in the appended claims are intended to encompass any structure, material or activities for performing the functions in combination with other claimed elements as specifically claimed.

Schließlich versteht es sich, dass die Gegenstände, Systeme und Methoden, die hierin weiter oben beschrieben sind, Ausführungsformen dieser Offenbarung sind – nichteinschränkende Beispiele, für die zahlreiche Variationen und Erweiterungen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Entsprechend umfasst diese Offenbarung alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der Gegenstände, Systeme und die hierin offenbarten Verfahren sowie jede und alle Äquivalente davon.Finally, it should be understood that the objects, systems and methods described hereinabove are embodiments of this disclosure - non-limiting examples for which numerous variations and extensions are also contemplated. Accordingly, this disclosure includes all novel and non-obvious combinations and subcombinations of the articles, systems and methods disclosed herein, and any and all equivalents thereof.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2013/188594 [0004] WO 2013/188594 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Petibon et al, Journal of the Electrochemical Society, 160 (1) A117Al24 (2013) [0075] Petibon et al, Journal of the Electrochemical Society, 160 (1) A117Al24 (2013) [0075]

Claims (15)

Wiederaufladbare Batterie, umfassend: Eine negative Elektrode, imstande Lithium einzulagern und freizusetzen; eine positive Elektrode, die ein Lithium-Übergangsmetall-Oxoanion-elektroaktives Material (lithium transition metal oxoanion electroactive material) umfasst; einen Separator; eine nicht-wässrige Elektrolytlösung, umfassend: ein Salzsystem, wobei das Salzsystem ein Lithium-Salz, vorhanden mit 0,85 bis 1,5 M, und ein Co-Salz, vorhanden mit 0,05 bis 0,25 M, umfasst, wobei das Co-Salz nicht Lewis-saure Abbauprodukte erzeugt; ein Additiv System, umfassend: ein Anti-Gasbildungsmittel, mindestens ein erstes Additiv, dass die durch die Formel (1) repräsentierte Sulfonylgruppe beinhaltet: R1-A-R2 (1) in der R1 und R2 unabhängig voneinander eine Alkylgruppe repräsentieren, die mit einer Arylgruppe oder einem Halogenatom substituiert werden kann; eine Arylgruppe, die mit einer Alkylgruppe oder einem Halogenatom substituiert werden kann; oder zusammengenommen werden können, um zusammen mit -A- eine cyclische Struktur zu bilden, die eine ungesättigte Bindung enthalten kann, in der ”A” durch eine Formel repräsentiert wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend:
Figure DE102015014294A1_0004
und
Figure DE102015014294A1_0005
ein zweites Additiv, Vinylencarbonat; und mindestens ein organisches Lösungsmittel, wobei die nicht-wässrige Elektrolytlösung frei von γ-Butyrolacton ist.
A rechargeable battery comprising: a negative electrode capable of storing and releasing lithium; a positive electrode comprising a lithium transition metal oxoanion electroactive material (lithium transition metal oxoanion); a separator; a non-aqueous electrolyte solution comprising: a salt system, the salt system comprising a lithium salt present at 0.85 to 1.5 M, and a Co salt present at 0.05 to 0.25 M, wherein the co-salt does not produce Lewis acid degradation products; an additive system comprising: an anti-gelling agent, at least a first additive including the sulfonyl group represented by the formula (1): R 1 -AR 2 (1) wherein R 1 and R 2 independently represent an alkyl group which may be substituted with an aryl group or a halogen atom; an aryl group which may be substituted with an alkyl group or a halogen atom; or taken together to form, together with -A-, a cyclic structure which may contain an unsaturated bond in which "A" is represented by a formula selected from the group comprising:
Figure DE102015014294A1_0004
and
Figure DE102015014294A1_0005
a second additive, vinylene carbonate; and at least one organic solvent, wherein the nonaqueous electrolytic solution is free of γ-butyrolactone.
Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das erste, eine Sulfonylgruppe beinhaltende Additiv mit 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% der Elektrolytsammensetzung vorliegt, und wobei das Vinylencarbonat mit 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% der Elektrolytsammensetzung vorhanden ist.The rechargeable battery of claim 1, wherein the first sulfonyl group-containing additive is present at 0.1% to 5% by weight of the electrolyte composition, and wherein the vinylene carbonate is present at 0.1% to 5% by weight. the electrolyte composition is present. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das Anti-Gasbildungsmittel zumindest eines der 1,5,2,4-Dioxadithian-2,2,3,3-Tetraoxid(MMDS), Prop-1-en-1,3-Sulton (PrS), oder 1,3-Propansulton ist. A rechargeable battery according to claim 1, wherein the anti-gaslaking agent comprises at least one of 1,5,2,4-dioxadithiane-2,2,3,3-tetraoxide (MMDS), prop-1-ene-1,3-sultone (PrS ), or 1,3-propane sultone. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das Anti-Gasbildungsmittel mit weniger als oder gleich 2 Gew.-% vorhanden ist.The rechargeable battery of claim 1, wherein the anti-gaslaking agent is present at less than or equal to 2% by weight. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das Co-Salz ausgewählt ist aus einer der Salzklassen, umfassend Imidsalze, Triflatsalze (triflate salts) oder Organo-Boratsalze (organo-borate salts) oder wobei das Co-Salz Bis(Trifluormethan)-Sulfonamid-Lithiumsalz (LiTFSI) ist.A rechargeable battery according to claim 1, wherein the Co salt is selected from one of the salt classes comprising imide salts, triflate salts or organo borate salts or wherein the Co salt is bis (trifluoromethane) sulfonamide lithium salt (LiTFSI) is. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das Lithiumsalz ausgewählt ist aus einem von LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2)2, LiN(CFSO2)(C4F9SO2), und LiC(CF3SO2)2 oder wobei das Lithiumsalz vorhanden ist mit 1,0 M und wobei das Co-Salz vorhanden ist innerhalb 0,05 bis 0,2 M.The rechargeable battery of claim 1, wherein the lithium salt is selected from one of LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 , LiN ( CFSO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), and LiC (CF 3 SO 2 ) 2 or wherein the lithium salt is present at 1.0 M and wherein the Co salt is present within 0.05 to 0.2 M. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das zweite Additiv Fluorethylencarbonat ist und mit 1 Gew.-% vorhanden ist.A rechargeable battery according to claim 1, wherein the second additive is fluoroethylene carbonate and is present at 1% by weight. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das organische Lösungsmittel zumindest eines von Ethylenecarbonat, Propylenecarbonat, Butylenecarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat und Ethylmethylcarbonat, γ-Valerolacton, Methylacetat und Methylpropionat, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Tetrahydropyran, Dimethoxyethan und Dimethoxymethan, Ethylenemethylphosphat und Ethylethylenephosphat, Trimethylphosphat und Triethyphosphat, Halogenide davon, Vinylethylencarbonat (VEC) und Fluoroethylencarbonat (FEC), Poly(ethylenglycol)diacrylat und Kombinationen daraus aufweist oder wobei das organische Lösungsmittel eine Mischung aus Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, Diethylcarbonat, und Propylencarbonat aufweist.A rechargeable battery according to claim 1, wherein the organic solvent is at least one of ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, γ-valerolactone, methyl acetate and methyl propionate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and tetrahydropyran, dimethoxyethane and dimethoxymethane, ethylene-methyl phosphate and ethylethylene phosphate, trimethyl phosphate and triethyl phosphate, halides thereof, vinyl ethylene carbonate (VEC) and fluoroethylene carbonate (FEC), poly (ethylene glycol) diacrylate, and combinations thereof, or wherein the organic solvent comprises a mixture of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, and propylene carbonate. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie in einem Beutel (pouch) enthalten ist.A rechargeable battery according to claim 1, wherein the battery is contained in a pouch. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei die negative Elektrode nicht-graphitisierbares Carbon aufweist, künstliches Graphit oder natürliche Graphitverbindungen aus kohlenstoffhaltigen Materialien mit Silizium oder Siliziumoxid.A rechargeable battery according to claim 1, wherein said negative electrode comprises non-graphitizable carbon, artificial graphite or natural graphite compounds of carbonaceous materials with silicon or silica. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode ein Lithium-Übergangsmetall-Oxid (lithium transition metal Oxide) umfasst.The rechargeable battery of claim 1, wherein the positive electrode comprises a lithium transition metal oxide. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei die organische Lösungsmischung 30 Vol.-% Ethylencarbonat, 55 Vol.-% Ethylmethylcarbonat, 10 Vol.-% Diethylcarbonat und 5 Vol.-% Propylencarbonat enthält.A rechargeable battery according to claim 1, wherein the organic solution mixture contains 30% by volume of ethylene carbonate, 55% by volume of ethylmethyl carbonate, 10% by volume of diethyl carbonate and 5% by volume of propylene carbonate. Elektrolytzusammensetzung für eine wiederaufladbare Batterie, umfassend: ein Salzsystem, wobei das Salzsystem ein Lithiumsalz, vorhanden mit 0,85 bis 1,5 M, und ein Co-Salz, vorhanden mit 0,05 M bis 0,25 M, umfasst, wobei das Co-Salz Lewis-saure Abbauprodukte wahrscheinlich nicht erzeugt; ein Additivsystem, umfassend: zumindest ein erstes Additiv, das eine Sulfonyl-Gruppe umfasst, dargestellt durch die Formel: R1-A-R2 (1) in der R1 und R2 unabhängig voneinander eine Alkylgruppe repräsentieren, die mit einer Arylgruppe oder einem Halogen-Atom substituiert werden kann; eine Arylgruppe, die mit einer Alkylgruppe oder einem Halogen-Atom substituiert werden kann; oder zusammengenommen werden können, um zusammen mit -A- eine cyclische Struktur zu bilden, die eine ungesättigte Bindung enthalten kann, in der ”A” durch eine Formel repräsentiert wird, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend:
Figure DE102015014294A1_0006
und
Figure DE102015014294A1_0007
ein Anti-Gasbildungsmittel, ein zweites Additiv, und Vinylencarbonat.
An electrolyte composition for a rechargeable battery, comprising: a salt system, the salt system comprising a lithium salt present at 0.85 to 1.5 M, and a Co salt present at 0.05 M to 0.25 M, wherein the Co-salt Lewis acid degradation products likely not generated; an additive system comprising: at least a first additive comprising a sulfonyl group represented by the formula: R 1 -AR 2 (1) wherein R 1 and R 2 independently represent an alkyl group which may be substituted with an aryl group or a halogen atom; an aryl group which may be substituted with an alkyl group or a halogen atom; or taken together to form together with -A- a cyclic structure which may contain an unsaturated bond in which "A" is represented by a formula selected from the group comprising:
Figure DE102015014294A1_0006
and
Figure DE102015014294A1_0007
an anti-gassing agent, a second additive, and vinylene carbonate.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 13, darüber hinaus ein Lösungssystem umfasst, oder wobei das erste Additiv vorhanden ist mit 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, das Anti-Gasbildungsmittel vorhanden ist mit weniger als oder gleich 2 Gew.-%, das zweite Additiv vorhanden ist mit 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, und wobei das Vinylencarbonat vorhanden ist mit 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%.The electrolyte composition of claim 13, further comprising a solution system, or wherein the first additive is present at 0.1 wt% to 5 wt%, the anti-gassing agent is present at less than or equal to 2 wt%, the second additive is present at 0.1 wt% to 5 wt%, and wherein the vinylene carbonate is present at 0.1 wt% to 5 wt%. Wiederaufladbare Batterie nach Anspruch 1, wobei das zweite Additiv vorhanden ist mit weniger als oder gleich 5 Gew.-% der Elektrolytzusammensetzung.The rechargeable battery of claim 1, wherein the second additive is present at less than or equal to 5% by weight of the electrolyte composition.
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