DE102017107257A1 - Electrolyte additive for lithium-ion batteries - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1), insbesondere 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivaten, als Additiv in Elektrolyten für elektrochemische Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Batterien, sowie Elektrolyte enthaltend Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1), insbesondere 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate.

Figure DE102017107257A1_0000
The invention relates to the use of compounds according to the general formula (1), in particular 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives, as an additive in electrolytes for electrochemical energy storage such as lithium-ion batteries, and electrolytes containing compounds according to the general formula (1), especially 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives.
Figure DE102017107257A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien.The invention relates to the field of lithium-ion batteries.

Lithium-Ionen-Batterien (Sekundärbatterien) stellen derzeit die führende Technologie auf dem Gebiet der wieder aufladbaren Batterien dar, insbesondere im Bereich der portablen Elektronik. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden eine Anode aus Kohlenstoff, gewöhnlich Graphit. Der Ladungstransport erfolgt über einen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz, welches in einem Lösungsmittel gelöst ist, umfasst. Im Stand der Technik sind verschiedene Elektrolyte und Leitsalze bekannt. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden derzeit zumeist Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6).Lithium-ion batteries (secondary batteries) are currently the leading technology in the field of rechargeable batteries, especially in the field of portable electronics. Conventional lithium-ion batteries use an anode of carbon, usually graphite. Charge transport occurs via an electrolyte comprising a lithium salt dissolved in a solvent. Various electrolytes and conductive salts are known in the prior art. Conventional lithium-ion batteries currently use mostly lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ).

Geeignete Elektrolyte zeichnen sich dadurch aus, dass die Ausbildung einer Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche, der so genannten Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf einer Elektrode induziert wird. Bei Graphit-Anoden kommt es dabei zu einer reduktiven Zersetzung des Elektrolyten und die Reaktionsprodukte können einen anhaftenden und elektronisch isolierenden, aber Lithiumionen-leitenden Film auf der Anode ausbilden. Die Solid Electrolyte Interphase verhindert im Folgenden, dass das Elektrodenmaterial weiter mit dem Elektrolyten reagiert und schützt hierdurch den Elektrolyten vor weiterer reduktiver Zersetzung und die Anode vor Zerstörung durch das Lösungsmittel. Insbesondere bei Verwendung von Graphit-Anoden ist die Ausbildung eines derartigen Films für einen sicheren Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie notwendig.Suitable electrolytes are characterized in that the formation of a solid-electrolyte phase interface, the so-called solid electrolyte interphase (SEI) is induced on an electrode. In the case of graphite anodes, this leads to a reductive decomposition of the electrolyte and the reaction products can form an adhering and electronically insulating, but lithium ion-conducting film on the anode. The Solid Electrolyte Interphase subsequently prevents the electrode material from reacting further with the electrolyte and thereby protects the electrolyte from further reductive decomposition and the anode from destruction by the solvent. Especially when using graphite anodes, the formation of such a film is necessary for safe operation of the lithium-ion battery.

Die reduktive Zersetzung des Lösemittels Propylencarbonat (IUPAC-Bezeichnung 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) führt jedoch zu keiner Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase. So bewirkt die reduktiv induzierte Gasentwicklung innerhalb der Graphitschichten, induziert durch Co-Interkalation von Propylencarbonat, das Auseinanderbrechen („Exfoliation“) und die irreversible Zerstörung des Aktivmaterials. Dies limitiert die Nutzung von Propylencarbonat, trotz besserer thermischer und physikochemischer Eigenschaften gegenüber Ethylencarbonat, für die Lithium-Ionen-Technologie. Des Weiteren kann Propylencarbonat als Modellsystem für Elektrolyte dienen, die ebenfalls eine reduktive Zersetzung ohne SEI-Bildung und Exfoliation von Graphit zeigen.However, the reductive decomposition of the solvent propylene carbonate (IUPAC designation 4-methyl-1,3-dioxolan-2-one) does not lead to the formation of a solid electrolyte interphase. Thus, the reductively induced gas evolution within the graphite layers, induced by co-intercalation of propylene carbonate, causes the "exfoliation" and the irreversible destruction of the active material. This limits the use of propylene carbonate, despite its better thermal and physicochemical properties over ethylene carbonate, for lithium-ion technology. Furthermore, propylene carbonate can serve as a model system for electrolytes, which also show a reductive decomposition without SEI formation and exfoliation of graphite.

Im Stand der Technik sind weitere Elektrolyte enthaltend Dioxolane als organische Lösungsmittel bekannt. Die Schrift DE 10 2010 020 992 A1 offenbart beispielsweise Lösungsmittel umfassend Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat und weitere wie 3-Methyl-1,3-oxazolidin-2-on, sowie Mischungen aus zwei oder mehrerer dieser Lösungsmittel.In the prior art, other electrolytes containing dioxolanes are known as organic solvents. The font DE 10 2010 020 992 A1 for example, discloses solvents comprising ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and others such as 3-methyl-1,3-oxazolidin-2-one, as well as mixtures of two or more of these solvents.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Exfoliation des Graphits und die reduktive Zersetzung des Lösungsmittels durch die Verwendung von hochkonzentrierten Elektrolyten zu unterbinden. Die Verwendung von hochkonzentrierten Elektrolyten, auch als „solvent-in-salt“-Elektrolyte bekannt, ist jedoch nicht wirtschaftlich, da dieser Ansatz ein Vielfaches der normalerweise benötigten Menge an Leitsalz erfordert. Des Weiteren erhöht sich durch die Konzentration (meist > 3 mol 1-1) die Viskosität des Elektrolyten stark, was zu einem merklichen Abfall der Leitfähigkeit und der Leistung der Batterie führt. Weiterhin ist zu erwarten, dass es bei einer Absenkung der Betriebstemperatur zur Unterschreitung des Löslichkeitsproduktes des Leitsalzes in der Elektrolytlösung kommt, welches zum Ausfallen des Salzes im Inneren der Batterien führt. Zudem erhöht sich bei gleichbleibendem Volumen und steigender Zugabe von Leitsalz die Dichte und daher die Gesamtmasse des Elektrolyten. Dies führt ebenfalls dazu, dass die spezifische Energiedichte (Ah kg-1) der Batterie als Gesamtsystem abnimmt.It has already been proposed to prevent the exfoliation of the graphite and the reductive decomposition of the solvent by the use of highly concentrated electrolytes. However, the use of highly concentrated electrolytes, also known as "solvent-in-salt" electrolytes, is not economical, since this approach requires a multiple of the normally required amount of electrolyte salt. Furthermore, the concentration of (usually> 3 mol 1 -1 ) increases the viscosity of the electrolyte greatly, which leads to a marked decrease in the conductivity and the performance of the battery. Furthermore, it is to be expected that when the operating temperature falls, the solubility product of the electrolyte salt in the electrolyte solution falls below the limit, which leads to precipitation of the salt inside the batteries. In addition, increases the volume and increasing the addition of conductive salt, the density and therefore the total mass of the electrolyte at a constant volume. This also means that the specific energy density (Ah kg -1 ) of the battery as a whole system decreases.

Weiter wurde die Verwendung von adäquaten Leistungsadditiven vorgeschlagen. Vor allem in kommerziellen Batterien wichtig sind hierbei Vinylencarbonat (VC) und Fluoroethylencarbonat (FEC). Das herkömmlich verwendete Additiv Vinylencarbonat kann jedoch nur bis zu einer Abschlussspannung von maximal 4,7 V in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, da es sonst zu einer oxidativen Zersetzung kommt. Insbesondere für die Entwicklung von Hochvolt-Elektrolyten besteht daher ein Bedarf an SEI-bildenden Elektrolyt-Additiven mit erhöhter oxidativer Stabilität.Further, the use of adequate performance additives has been suggested. Particularly important in commercial batteries are vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC). However, the conventionally used additive vinylene carbonate can only be used up to a final voltage of 4.7 V maximum in lithium-ion batteries, otherwise there is an oxidative decomposition. Especially for the development of high-voltage electrolytes there is a need for SEI-forming electrolyte additives with increased oxidative stability.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, einen Elektrolyten zur Verfügung zu stellen, der mindestens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Verbindung bereit zu stellen, welche die Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase unterstützt.The present invention was therefore based on the object to provide an electrolyte which overcomes at least one of the aforementioned disadvantages of the prior art. In particular, the object of the present invention was to provide a compound which supports the formation of a solid electrolyte interphase.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektrolyten für einen elektrochemischen Energiespeicher umfassend ein Elektrolytsalz und ein Lösemittel, wobei der Elektrolyt wenigstens eine Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wie nachstehend angegeben umfasst:

Figure DE102017107257A1_0001
worin:

X
ist C, S oder S=O;
R1
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy, C3-C7-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Arylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit wenigstens einem Substituenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend F, C1-4-Alkyl und/oder CN substituiert sind; und
R2
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C10-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, und/oder C6-C10-Aryl.
This object is achieved by an electrolyte for an electrochemical energy store comprising an electrolyte salt and a solvent, wherein the electrolyte comprises at least one compound according to the general formula (1) as indicated below:
Figure DE102017107257A1_0001
wherein:
X
is C, S or S = O;
R 1
is selected from the group consisting of CN, C 1 -C 10 -alkyl, C 1 -C 10 -alkoxy, C 3 -C 7 -cycloalkyl, C 6 -C 10 -aryl and / or -CO-OR 2 , wherein the Alkyl, alkoxy, cycloalkyl and aryl groups are each unsubstituted or monosubstituted or polysubstituted by at least one substituent selected from the group consisting of F, C 1-4 -alkyl and / or CN; and
R 2
is selected from the group comprising C 1 -C 10 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, and / or C 6 -C 10 -aryl.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nebengeordneten Ansprüchen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the independent claims.

Überraschend wurde gefunden, dass Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1) eine Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf einer Graphit-Elektrode ausbilden. Durch Verwendung einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) in Elektrolyten wird somit die Verwendung von Lösungsmitteln wie Propylencarbonat, die alleine keine Solid Electrolyte Interphase ausbilden, in elektrochemischen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht. Es konnte festgestellt werden, dass die Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1) dazu beitragen können, eine stabile Solid Electrolyte Interphase auszubilden, die über wenigstens 50 Lade- und Entladezyklen Graphitanoden vor einer Exfoliation sowie den Bulk-Elektrolyten vor der kontinuierlichen reduktiven Zersetzung schützen kann. Insbesondere ist dabei von Vorteil, dass die Zersetzung der Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1) wie 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on bei höheren Potentialen erfolgt als die von Vinylencarbonat. Die höhere oxidative Stabilität der SEI-bildenden Verbindungen der allgemeinen Formel (1) ermöglicht dadurch eine Verwendung in Hochvolt-Batterien.Surprisingly, it has been found that compounds according to the general formula (1) form a solid electrolyte interphase (SEI) on a graphite electrode. By using a compound according to the general formula (1) in electrolytes, the use of solvents such as propylene carbonate, which alone do not form solid-electrolyte interphase, is thus made possible in electrochemical energy stores such as lithium-ion batteries. It has been found that the compounds of general formula (1) can help form a stable solid electrolyte interphase that can protect graphite anodes from exfoliation and bulk electrolytes from continuous reductive decomposition over at least 50 charge and discharge cycles , In particular, it is advantageous that the decomposition of the compounds according to the general formula (1), such as 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one, occurs at higher potentials than that of vinylene carbonate. The higher oxidative stability of the SEI-forming compounds of general formula (1) thereby enables use in high-voltage batteries.

In vorteilhafter Weise kann ein erfindungsgemäßer Elektrolyt somit als Hochvolt-Elektrolyt Verwendung finden. Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass eine Polymerisierungsreaktion unter Einbeziehen der Doppelbindung der 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate gemäß der allgemeinen Formel (1) an dem vermuteten Reaktionsmechanismus der Bildung der SEI beteiligt ist, und damit wesentlich für die vorteilhaften Eigenschaften der Verbindungen ist.Advantageously, an inventive electrolyte can thus be used as a high-voltage electrolyte. Without being bound by any particular theory, it is believed that a polymerization reaction involving the double bond of the 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives according to the general formula (1) is involved in the presumed reaction mechanism of formation of the SEI , and thus is essential for the advantageous properties of the compounds.

Der Begriff „C1-C10-Alkyl“ umfasst, wenn nicht anders angegeben, geradkettige oder verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen. Unter dem Begriff „C6-C10-Aryl“ sind aromatische Reste mit 6 bis 10 Kohlenstoff-Atomen zu verstehen. Der Begriff „Aryl“ umfasst bevorzugt Carbocyclen. C6-C10-Arylgruppen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phenyl und/oder Naphthyl, bevorzugt Phenyl. C3-C7-Cycloalkylgruppen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cyclopentyl und/oder Cyclohexyl. C1-C5-Alkoxygruppen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methoxy, Ethoxy, lineares oder verzweigtes Propoxy, Butoxy und/oder Pentoxy.The term "C 1 -C 10 -alkyl", unless stated otherwise, includes straight-chain or branched alkyl groups having 1 to 10 carbon atoms. The term "C 6 -C 10 -aryl" is to be understood as meaning aromatic radicals having 6 to 10 carbon atoms. The term "aryl" preferably includes carbocycles. C 6 -C 10 -aryl groups are preferably selected from the group comprising phenyl and / or naphthyl, preferably phenyl. C 3 -C 7 cycloalkyl groups are preferably selected from the group comprising cyclopentyl and / or cyclohexyl. C 1 -C 5 -alkoxy groups are preferably selected from the group comprising methoxy, ethoxy, linear or branched propoxy, butoxy and / or pentoxy.

Der Substituent X kann Kohlenstoff oder Schwefel oder eine Gruppe S=O sein. Vorzugsweise ist X Kohlenstoff.The substituent X may be carbon or sulfur or a group S = O. Preferably, X is carbon.

Der Substituent R1 ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C5-Alkyl, C1-C5-Alkoxy, C5-C6-Cycloalkyl und/oder Phenyl, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiert sind. Fluorierte Substituenten R1 können die Ausbildung der Solid Electrolyte Interphase unterstützen. Insbesondere kann durch eine Fluorierung die Stabilität des Elektrolytadditivs gezielt an die Anforderungen einer Lithium-Ionen-Batterie angepasst werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C5-Alkyl oder Phenyl. Derartige Gruppen R1 können in vorteilhafter Weise die Reaktionen der Doppelbindung, die zur Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf einer Elektrode führen, unterstützen. C1-C5-Alkylgruppen sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert-Butyl, Pentyl, Isopentyl, tert-Pentyl und/oder Neopentyl. In weiter bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, tert-Butyl, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C2-Alkyl. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CH3, CF3, CN, tert-Butyl und/oder Phenyl.The substituent R 1 is preferably selected from the group comprising CN, C 1 -C 5 -alkyl, C 1 -C 5 -alkoxy, C 5 -C 6 -cycloalkyl and / or phenyl, where the alkyl, alkoxy, cycloalkyl - And phenyl groups are each unsubstituted or mono- or poly-substituted by fluorine. Fluorinated substituents R 1 can support the formation of Solid Electrolyte Interphase. In particular, by fluorination, the stability of the electrolyte additive can be tailored to the requirements of a lithium-ion battery. In preferred embodiments, R 1 is selected from the group consisting of CN and / or C 1 -C 5 alkyl or phenyl which is unsubstituted or mono- or poly-fluoro-substituted. Such groups R 1 can advantageously assist the reactions of the double bond which lead to the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) on an electrode. C 1 -C 5 -alkyl groups are in particular selected from the group comprising methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, tert-butyl, pentyl, isopentyl, tert-pentyl and / or neopentyl. In further preferred embodiments, R 1 is selected from the group comprising CN, tert-butyl, phenyl and / or unsubstituted or mono- or poly-fluorine-substituted C 1 -C 2 -alkyl. In particularly preferred embodiments, R 1 is selected from the group comprising CH 3 , CF 3 , CN, tert-butyl and / or phenyl.

Ist R1 eine Gruppe -CO-O-R2, ist R2 vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C5-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl und/oder Phenyl.When R 1 is a group -CO-OR 2 , R 2 is preferably selected from the group comprising C 1 -C 5 -alkyl, C 5 -C 6 -cycloalkyl and / or phenyl.

Bevorzugt umfasst der Elektrolyt wenigstens eine Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) worin:

X
ist C, S oder S=O; und/oder
R1
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C5-Alkyl, C1-C5-Alkoxy, C5-C6-Cycloalkyl, Phenyl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiert sind, und/oder
R2
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C5-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl, und/oder Phenyl.
Preferably, the electrolyte comprises at least one compound according to the general formula (1) in which:
X
is C, S or S = O; and or
R 1
is selected from the group comprising CN, C 1 -C 5 -alkyl, C 1 -C 5 -alkoxy, C 5 -C 6 -cycloalkyl, phenyl and / or -CO-OR 2 , where the alkyl, alkoxy, Cycloalkyl and phenyl groups each unsubstituted or simple or substituted several times with fluorine, and / or
R 2
is selected from the group comprising C 1 -C 5 -alkyl, C 5 -C 6 -cycloalkyl, and / or phenyl.

Besonders bevorzugt umfasst der Elektrolyt wenigstens eine Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) worin X Kohlenstoff ist und/oder R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend CN, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit F substituiertes C1-C5-Alkyl, insbesondere C1-C2-Alkyl. In vorteilhafter Weise führen kleine Alkylgruppen zu Verbindungen, die zur effizienten Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase beitragen können. In bevorzugten Ausführungsformen ist X Kohlenstoff und R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CH3, CF3, CN, tert-Butyl und/oder Phenyl.Particularly preferably, the electrolyte comprises at least one compound according to the general formula (1) in which X is carbon and / or R 1 is selected from the group comprising CN, phenyl and / or unsubstituted or mono- or polysubstituted with F-substituted C 1 -C 5 - Alkyl, in particular C 1 -C 2 -alkyl. Advantageously, small alkyl groups lead to compounds that can contribute to the efficient formation of a solid electrolyte interphase. In preferred embodiments, X is carbon and R 1 is selected from the group comprising CH 3 , CF 3 , CN, tert-butyl and / or phenyl.

Besonders bevorzugt ist X Kohlenstoff und der Elektrolyt umfasst wenigstens ein 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivat gemäß der allgemeinen Formel (2)

Figure DE102017107257A1_0002
worin:

R1
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C5-Alkyl, C1-C5-Alkoxy, C5-C6-Cycloalkyl, Phenyl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiert sind, und/oder
R2
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C5-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl, und/oder Phenyl.
X is particularly preferably carbon and the electrolyte comprises at least one 1,4,2-dioxoazol-5-one derivative according to the general formula (2)
Figure DE102017107257A1_0002
wherein:
R 1
is selected from the group comprising CN, C 1 -C 5 -alkyl, C 1 -C 5 -alkoxy, C 5 -C 6 -cycloalkyl, phenyl and / or -CO-OR 2 , where the alkyl, alkoxy, Cycloalkyl and phenyl groups are each unsubstituted or mono- or poly-substituted by fluorine, and / or
R 2
is selected from the group comprising C 1 -C 5 -alkyl, C 5 -C 6 -cycloalkyl, and / or phenyl.

Bevorzugt sind 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate worin R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend CN und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C5-Alkyl oder Phenyl, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, tert-Butyl, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C2-Alkyl. In vorteilhafter Weise können insbesondere 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate in Elektrolyten eine stabile Solid Electrolyte Interphase ausbilden, die über eine Zyklisierdauer von wenigstens 50 Lade- und Entladezyklen Graphitanoden vor einer Exfoliation und den Bulk-Elektrolyten vor der kontinuierlichen Reduktion schützen kann. Ein besonders bevorzugtes 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivat ist 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on.Preference is given to 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives in which R 1 is selected from the group consisting of CN and / or unsubstituted or mono- or poly-fluorine-substituted C 1 -C 5 -alkyl or phenyl, in particular selected from Group comprising CN, tert-butyl, phenyl and / or unsubstituted or mono- or poly-fluorine-substituted C 1 -C 2 -alkyl. In particular, 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives in electrolytes can advantageously form a stable solid electrolyte interphase which, over a period of cyclization of at least 50 charging and discharging cycles, has graphite anodes before exfoliation and the bulk electrolyte before the continuous one Can protect reduction. A particularly preferred 1,4,2-dioxoazol-5-one derivative is 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one.

Es konnte gezeigt werden, dass ein Elektrolyt enthaltend 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on ein weites oxidatives Stabilitätsfenster aufweist, und aufgrund dieser hohen Stabilität damit auch für Anwendungen mit Hochvoltelektrodenmaterialien verwendbar ist. Dies verdeutlicht einen besonderen Vorteil, da herkömmliche SEI-Bildner es nicht erlauben Graphit-Anoden mit Hochvoltkathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien mit Abschaltpotentialen höher als 4,5 V vs. Li/Li+ zu betreiben. Die erfindungsgemäßen Verbindungen sind als Additiv in Elektrolyten mit gängigen Elektrodenmaterialien wie Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC(111))-Kathoden, LiFePO4 (LFP), LiMPO4 (M = Mn, Ni, Co), LiMn2O4 (LMO), LiNixMnyO4 (LNMO), Li(NixCoyMnz)O2 (x+y+z=1) (NMC(XYZ)), (Li2MnO3)x(LiMO2)1-x und Li(NixCoyAlz)O2 (x+y+z=1) (NCA) verwendbar.It has been shown that an electrolyte containing 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one has a wide oxidative stability window, and because of this high stability, it can also be used for applications with high-voltage electrode materials. This illustrates a particular advantage, since conventional SEI-formers do not allow graphite anodes with high-voltage cathode materials in lithium-ion batteries with turn-off potentials higher than 4.5V. Li / Li + to operate. The compounds of the invention are used as an additive in electrolytes with common electrode materials such as Li (Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ) O 2 (NMC (111)) cathodes, LiFePO 4 (LFP), LiMPO 4 (M = Mn , Ni, Co), LiMn 2 O 4 (LMO), LiNi x Mn y O 4 (LNMO), Li (Ni x Co y Mn z ) O 2 (x + y + z = 1) (NMC (XYZ)) , (Li 2 MnO 3 ) x (LiMO 2 ) 1-x and Li (Ni x Co y Al z ) O 2 (x + y + z = 1) (NCA).

Die Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel (1) sind kommerziell erhältlich oder nach dem Fachmann geläufigen Verfahren herstellbar.The compounds according to the general formula (1) are commercially available or can be prepared by methods familiar to the person skilled in the art.

In bevorzugten Ausführungsformen enthält der Elektrolyt die Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) in einem Bereich von ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,5 Gew.-% bis ≤ 7 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten. Angaben in Gew.-% sind jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht des Elektrolyten von 100 Gew.-%. Angaben in Prozent entsprechen, wenn nicht abweichend angegeben, Angaben in Gew.-%.In preferred embodiments, the electrolyte contains the compound of the general formula (1) in a range of ≥ 0.1 wt% to ≤ 10 wt%, preferably in the range of ≥ 0.5 wt% to ≤ 7 Wt .-%, preferably in the range of ≥ 3 wt .-% to ≤ 5 wt .-%, based on the total weight of the electrolyte. Data in wt .-% are each based on a total weight of the electrolyte of 100 wt .-%. Figures in percent correspond, unless otherwise indicated, in% by weight.

In vorteilhafter Weise kann ein Elektrolyt umfassend derartige Anteile einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1), insbesondere 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate wie 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on, eine sehr gute Bildung einer Solid Electrolyte Interphase zeigen. In vorteilhafter Weise können Anteile im Bereich von ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, bereits für eine effektive Passivierung von Graphit ausreichen. Solcherart geringe Gewichtsanteile eines Additivs erlauben eine wirtschaftliche kommerzielle Anwendung.Advantageously, an electrolyte comprising such proportions of a compound of the general formula (1), in particular 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives such as 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one, show a very good formation of a Solid Electrolyte interphase. Advantageously, proportions in the range of ≥ 3 wt .-% to ≤ 5 wt .-%, based on the total weight of the electrolyte, already sufficient for an effective passivation of graphite. Such small amounts by weight of an additive allow for economical commercial application.

Der Elektrolyt weist neben wenigstens einem Elektrolytsalz, vorzugsweise einem Lithiumsalz, und wenigstens einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) ein Lösemittel auf. Das Lösemittel dient vorzugsweise als Lösungsmittel für das Elektrolyt- bzw. Lithiumsalz.The electrolyte has, in addition to at least one electrolyte salt, preferably a lithium salt, and at least one compound according to the general formula (1) a solvent. The solvent preferably serves as a solvent for the electrolyte or lithium salt.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Elektrolyt ein Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend ein nicht-fluoriertes oder teilfluoriertes organisches Lösemittel, eine ionische Flüssigkeit, eine Polymermatrix und/oder Mischungen davon.In preferred embodiments, the electrolyte comprises a solvent selected from the group comprising a non-fluorinated or partially fluorinated organic solvent, an ionic liquid, a polymer matrix and / or mixtures thereof.

Vorzugsweise umfasst der Elektrolyt ein organisches Lösemittel, insbesondere ein cyclisches oder lineares Carbonat. In bevorzugten Ausführungsformen ist das organische Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Acetonitril, Propionitril, 3-Methoxypropionitril, Glutaronitril, Adiponitril, Pimelonitril, gamma-Butyrolacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, 1,3-Dioxolan, Methylacetat, Ethylacetat, Ethylmethansulfonat, Dimethylmethylphosphonat, lineares oder cyclisches Sulfon wie Ethylmethylsulfon oder Sulfolan, symmetrische oder nicht-symmetrische Alkylphosphate und/oder deren Mischungen. Preferably, the electrolyte comprises an organic solvent, in particular a cyclic or linear carbonate. In preferred embodiments, the organic solvent is selected from the group consisting of ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, propionitrile, 3-methoxypropionitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, dimethoxyethane, 1,3- Dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, ethyl methanesulfonate, dimethyl methyl phosphonate, linear or cyclic sulfone such as ethyl methyl sulfone or sulfolane, symmetrical or non-symmetrical alkyl phosphates and / or mixtures thereof.

Der Elektrolyt kann insbesondere Lösemittel wie Propylencarbonat umfassen, die ohne Additiv nicht zu einer Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase führen. Für die Verwendung mit diesen Lösungsmitteln ist ein Zusatz der erfindungsgemäßen Verbindungen zur Ausbildung einer effektiven Solid Electrolyte Interphase besonders vorteilhaft. In vorteilhafter Weise kann unter Verwendung einer Verbindung der allgemeinen Formel (1) ein Elektrolyt umfassend Propylencarbonat als Lösungsmittel eine vergleichbare oxidative Stabilität und eine ebenso effiziente SEI-Bildung aufweisen, wie bekannte Elektrolyte, die ohne Beimischung weiterer Verbindungen eine Solid Electrolyte Interphase ausbilden können. Der Elektrolyt umfasst vorzugsweise Propylencarbonat, oder eine Mischung umfassend Propylencarbonat und wenigstens ein weiteres organisches Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, gamma-Butyrolacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, 1,3-Dioxolan, Methylacetat, Ethylacetat, Ethylmethansulfonat, Dimethylmethylphosphonat, lineares oder cyclisches Sulfon wie Ethylmethylsulfon oder Sulfolan und/oder symmetrische oder nicht-symmetrische Alkylphosphate.The electrolyte may in particular comprise solvents, such as propylene carbonate, which do not lead to the formation of a solid electrolyte interphase without an additive. For use with these solvents, it is particularly advantageous to add the compounds according to the invention to form an effective solid electrolyte interphase. Advantageously, using a compound of the general formula (1), an electrolyte comprising propylene carbonate as the solvent can have comparable oxidative stability and equally efficient SEI formation as known electrolytes which can form a solid electrolyte interphase without admixing other compounds. The electrolyte preferably comprises propylene carbonate, or a mixture comprising propylene carbonate and at least one further organic solvent selected from the group comprising ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, Ethyl methanesulfonate, dimethyl methyl phosphonate, linear or cyclic sulfone such as ethyl methyl sulfone or sulfolane and / or symmetrical or non-symmetrical alkyl phosphates.

Der Elektrolyt kann auch ein Polymerelektrolyt, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid, polyvinylidenfluorid, poly(vinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen) und/oder Polymethylmethacrylat, oder ein Gel-Polymer-Elektrolyt umfassend ein Polymer und ein vorgenanntes organisches Lösungsmittel sein. Ebenfalls kann der Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit sein.The electrolyte may also be a polymer electrolyte, for example, selected from the group consisting of polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) and / or polymethylmethacrylate, or a gel-polymer electrolyte comprising a polymer and an aforementioned organic solvent , Also, the electrolyte may be an ionic liquid.

Der erfindungsgemäße Elektrolyt weist neben einem Lösungsmittel und wenigstens einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wenigstens ein Elektrolytsalz, insbesondere ein Lithiumsalz auf.In addition to a solvent and at least one compound according to the general formula (1), the electrolyte according to the invention has at least one electrolyte salt, in particular a lithium salt.

In bevorzugten Ausführungsformen ist das Elektrolytsalz ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiPtCl6, LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiB(C2O4)2, LiBF2(C2O4) und/oder LiSO3CF3. Bevorzugt ist das Lithiumsalz LiPF6. Die Konzentration des Lithiumsalzes im Elektrolyten kann in üblichen Bereichen liegen, beispielsweise im Bereich von ≥ 1,0 M bis ≤ 1,2 M.In preferred embodiments, the electrolyte salt is selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiPtCl 6 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiBF 2 (C 2 O 4 ) and / or LiSO 3 CF 3 . The lithium salt LiPF 6 is preferred. The concentration of the lithium salt in the electrolyte may be in conventional ranges, for example in the range of ≥ 1.0 M to ≤ 1.2 M.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Elektrolyt eine Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1), insbesondere ein 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivat wie 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on, wenigstens ein Lithiumsalz, vorzugsweise LiPF6, und Propylencarbonat oder eine Mischung organischer Lösemittel umfassend Propylencarbonat als Lösungsmittel. Der Elektrolyt ist beispielsweise herstellbar durch Einbringen des Lithiumsalzes in das Lösemittel und Zufügen der wenigstens einen Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1). Alternativ kann die Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) zunächst mit dem Lösungsmittel gemischt werden und dann das Lithiumsalz hinzugegeben werden.In a preferred embodiment, the electrolyte comprises a compound according to the general formula (1), in particular a 1,4,2-dioxoazol-5-one derivative such as 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one, at least a lithium salt, preferably LiPF 6 , and propylene carbonate or a mixture of organic solvents comprising propylene carbonate as a solvent. The electrolyte can be prepared, for example, by introducing the lithium salt into the solvent and adding the at least one compound according to the general formula (1). Alternatively, the compound of the general formula (1) may be first mixed with the solvent, and then the lithium salt may be added.

Der Elektrolyt kann weiterhin wenigstens ein Additiv enthalten, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend SEI-Bildner und/oder Flammschutzmittel. Beispielsweise kann der Elektrolyt Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) sowie einen weiteren SEI-Bildner enthalten. Geeignete Additive sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fluorethylencarbonat, Chlorethylencarbonat, Vinylencarbonat, Vinylethylencarbonat, Ethylensulfit, Propansulton, Propensulton, Sulfite, vorzugsweise Dimethylsulfit und Propylensulfit, Ethylensulfat, Propylensulfat, Methylenmethandisulfonat, Trimethylensulfat, optional mit F, Cl oder Br substituierte Butyrolactone, Phenylethylencarbonat, Vinylacetat und/oder Trifluorpropylencarbonat. Beispielsweise kann der Elektrolyt Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) sowie einen weiteren SEI-Bildner ausgewählt aus der Gruppe umfassend Vinylcarbonat, Fluorethylencarbonat und/oder Ethylensulfat enthalten. Diese Verbindungen können die Batterieleistung, beispielsweise die Kapazität, die Langzeitstabilität oder die Zyklen-Lebensdauer, verbessern.The electrolyte may further contain at least one additive, in particular selected from the group comprising SEI-formers and / or flame retardants. For example, the electrolyte may contain compound of the general formula (1) and another SEI-formers. Suitable additives are, for example, selected from the group consisting of fluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, ethylene sulfide, propanesultone, propensultone, sulfites, preferably dimethyl sulfite and propylene sulfite, ethylene sulfate, propylene sulfate, methylene methane disulfonate, trimethylene sulfate, optionally F, Cl or Br substituted butyrolactones, phenylethylene carbonate, Vinyl acetate and / or trifluoropropylene carbonate. For example, the electrolyte may contain compound according to the general formula (1) and another SEI-formner selected from the group comprising vinyl carbonate, fluoroethylene carbonate and / or ethylene sulfate. These connections can improve battery performance, such as capacity, long-term stability, or cycle life.

Der Elektrolyt eignet sich insbesondere für eine Batterie oder einen Akkumulator, insbesondere als Elektrolyt für eine Lithium-Ionen-Batterie oder einen Lithium-Ionen-Akkumulator.The electrolyte is particularly suitable for a battery or a rechargeable battery, in particular as an electrolyte for a lithium-ion battery or a lithium-ion rechargeable battery.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einen Superkondensator oder Lithium-Ionen-basierten elektrochemischen Energiespeicher, umfassend einen erfindungsgemäßen, oben beschriebenen, Elektrolyten. Der Begriff „Energiespeicher“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung primäre und sekundäre elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, also Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher). Im allgemeinen Sprachgebrauch werden Akkumulatoren häufig mit dem vielfach als Oberbegriff verwendeten Terminus „Batterie“ bezeichnet. So wird der Begriff Lithium-Ionen-Batterie synonym zu Lithium-Ionen-Akkumulator verwendet, wenn nicht abweichend angegeben. Der Begriff „elektrochemische Energiespeicher“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung auch elektrochemische Kondensatoren (englisch: electrochemical capacitors) oder Superkondensatoren (englisch: Supercapacitors, kurz Supercaps). Elektrochemische Kondensatoren, in der Literatur auch als Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensatoren bezeichnet, sind elektrochemische Energiespeicher, die sich gegenüber Batterien durch eine deutlich höhere Leistungsdichte, gegenüber konventionellen Kondensatoren durch eine um Größenordnungen höhere Energiedichte auszeichnen. Lithium-Ionen-basierte elektrochemische Energiespeicher sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Polymer-Batterien. Bevorzugt ist der Energiespeicher eine Lithium-Ionen-Batterie bzw. ein Lithium-Ionen Akkumulator. Weiter bevorzugt ist der elektrochemische Energiespeicher ein elektrochemischer Kondensator insbesondere Superkondensator. Es konnte gezeigt werden, dass die ausgebildete Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche auf einer Graphit-Anode über wenigstens 50 Zyklen stabil war. Dies ermöglicht einen wirtschaftlichen Betrieb wiederaufladbarer Batterien.A further subject matter of the present invention relates to an electrochemical energy store, in particular a supercapacitor or lithium-ion-based electrochemical energy store, comprising an electrolyte according to the invention described above. The term "energy storage" in the context of the present invention comprises primary and secondary electrochemical energy storage devices, ie batteries (Primary storage) and accumulators (secondary storage). In common usage, accumulators are often referred to with the term "battery", often used as a generic term. Thus, the term lithium-ion battery is used synonymously with lithium-ion accumulator, unless otherwise specified. The term "electrochemical energy storage" in the context of the present invention also includes electrochemical capacitors (English: electrochemical capacitors) or supercapacitors (English: supercapacitors, short supercaps). Electrochemical capacitors, also referred to in the literature as double-layer capacitors or supercapacitors, are electrochemical energy stores, which are characterized by batteries by a significantly higher power density, compared to conventional capacitors by orders of magnitude higher energy density. Lithium-ion-based electrochemical energy stores are preferably selected from the group comprising lithium-ion batteries, lithium-ion accumulators and polymer batteries. The energy store is preferably a lithium-ion battery or a lithium-ion battery. More preferably, the electrochemical energy storage is an electrochemical capacitor, in particular supercapacitor. It could be shown that the formed solid-electrolyte phase interface was stable on a graphite anode for at least 50 cycles. This allows economical operation of rechargeable batteries.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche auf einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten, wobei man die Zelle unter Verwendung des erfindungsgemäßen, oben beschriebenen, Elektrolyten betreibt. Vorzugsweise wird die Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche auf der Anode insbesondere einer Graphit-Anode, der negativen Elektrode, ausgebildet. Es hat sich bei der Betrachtung von Batterien eingebürgert, den Entladevorgang als Definition für die Begrifflichkeiten Anode und Kathode zu verwenden.Another object of the invention relates to a method for forming a solid-electrolyte phase interface on an electrode of an electrochemical cell comprising an anode, a cathode and an electrolyte, wherein the cell is operated using the inventive electrolyte described above. The solid electrolyte phase interface is preferably formed on the anode, in particular of a graphite anode, the negative electrode. It has become common in the consideration of batteries to use the discharge process as a definition of the terms anode and cathode.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wie nachstehend angegeben:

Figure DE102017107257A1_0003
worin:

X
ist C, S oder S=O;
R1
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy, C3-C7-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Arylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit wenigstens einem Substituenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend F, C1-4-Alkyl und/oder CN substituiert sind, und
R2
ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C10-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, und/oder C6-C10-Aryl,
in einem elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einem Superkondensator oder Lithium-Ionen-basierten elektrochemischen Energiespeicher.Another object of the invention relates to the use of a compound according to the general formula (1) as indicated below:
Figure DE102017107257A1_0003
wherein:
X
is C, S or S = O;
R 1
is selected from the group consisting of CN, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkoxy, C 3 -C 7 cycloalkyl, C 6 -C 10 aryl and / or -CO-OR 2 , wherein the Alkyl, alkoxy, cycloalkyl and aryl groups are each unsubstituted or monosubstituted or polysubstituted by at least one substituent selected from the group consisting of F, C 1-4 alkyl and / or CN, and
R 2
is selected from the group comprising C 1 -C 10 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, and / or C 6 -C 10 -aryl,
in an electrochemical energy store, in particular a supercapacitor or lithium-ion-based electrochemical energy store.

Die Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) ist in vorteilhafter Weise verwendbar als Elektrolyt-Zusatz, insbesondere als SEI-Bildner, insbesondere in Elektrolyten, die ohne Zusatz an Additiv keine SEI ausbilden.The compound according to the general formula (1) can be used advantageously as an electrolyte additive, in particular as a SEI-formers, in particular in electrolytes which form no SEI without addition of additive.

Für die Beschreibung der Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Der Substituent X ist vorzugsweise Kohlenstoff. R1 ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C5-Alkyl, C1-C5-Alkoxy, C5-C6-Cycloalkyl und/oder Phenyl, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiert sind. In bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C5-Alkyl oder Phenyl. In weiter bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, tert-Butyl, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C2-Alkyl. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CH3, CF3, CN, tert-Butyl und/oder Phenyl. Besonders bevorzugt ist X Kohlenstoff und/oder R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit F substituiertes C1-C5-Alkyl insbesondere C1-C2-Alkyl. In bevorzugten Ausführungsformen ist X Kohlenstoff und R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CH3, CF3, CN, tert-Butyl und/oder Phenyl.For the description of the compound according to the general formula (1), reference is made to the above description. The substituent X is preferably carbon. R 1 is preferably selected from the group consisting of CN, C 1 -C 5 alkyl, C 1 -C 5 alkoxy, C 5 -C 6 cycloalkyl and / or phenyl, wherein the alkyl, alkoxy, cycloalkyl and Phenyl groups are each unsubstituted or mono- or poly-substituted by fluorine. In preferred embodiments, R 1 is selected from the group consisting of CN and / or C 1 -C 5 alkyl or phenyl which is unsubstituted or mono- or poly-fluoro-substituted. In further preferred embodiments, R 1 is selected from the group comprising CN, tert-butyl, phenyl and / or unsubstituted or mono- or poly-fluorine-substituted C 1 -C 2 -alkyl. In particularly preferred embodiments, R 1 is selected from the group comprising CH 3 , CF 3 , CN, tert-butyl and / or phenyl. X is particularly preferably carbon and / or R 1 is selected from the group consisting of CN, phenyl and / or unsubstituted or mono- or poly-F-substituted C 1 -C 5 -alkyl, in particular C 1 -C 2 -alkyl. In preferred embodiments, X is carbon and R 1 is selected from the group comprising CH 3 , CF 3 , CN, tert-butyl and / or phenyl.

Besonders bevorzugt umfasst der Elektrolyt wenigstens ein 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivat gemäß der allgemeinen Formel (2) worin R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend CN, C1-C5-Alkyl, C1-C5-Alkoxy, C5-C6-Cycloalkyl, Phenyl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Phenylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiert sind, und/oder R2 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend C1-C5-Alkyl, C5-C6-Cycloalkyl, und/oder Phenyl. Bevorzugt sind 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate, worin R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend CN und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C5-Alkyl oder Phenyl, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, tert-Butyl, Phenyl und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C2-Alkyl. In vorteilhafter Weise können insbesondere 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate in Elektrolyten eine stabile Solid Electrolyte Interphase ausbilden, die über eine Zyklisierdauer von wenigstens 50 Lade- und Entladezyklen Graphitanoden vor einer Exfoliation sowie den Bulk-Elektrolyten vor der kontinuierlichen reduktiven Zersetzung schützen kann. Ein besonders bevorzugtes 1,4,2-Dioxoazol-5-on-Derivate ist 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on.More preferably, the electrolyte comprises at least one 1,4,2-Dioxoazol-5-one derivative represented by the general formula (2) wherein R 1 is selected from the group comprising CN, C 1 -C 5 -alkyl, C 1 -C 5 -alkoxy, C 5 -C 6 -cycloalkyl, phenyl and / or -CO-OR 2 , where the alkyl, alkoxy, Cycloalkyl and phenyl groups are each unsubstituted or monosubstituted or polysubstituted by fluorine, and / or R 2 is selected from the group comprising C 1 -C 5 -alkyl, C 5 -C 6 -cycloalkyl, and / or phenyl. Preference is given to 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives in which R 1 is selected from the group consisting of CN and / or unsubstituted or mono- or polysubstituted fluorine-substituted C 1 -C 5 -alkyl or phenyl, in particular selected from the group comprising CN, tert-butyl, phenyl and / or unsubstituted or mono- or polysubstituted with fluorine-substituted C 1 -C 2 alkyl. In particular, 1,4,2-dioxoazol-5-one derivatives in electrolytes can advantageously form a stable solid electrolyte interphase which, over a period of cyclization of at least 50 charge and discharge cycles, has graphite anodes before exfoliation and the bulk electrolyte before continuous can protect reductive decomposition. A particularly preferred 1,4,2-dioxoazol-5-one derivative is 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one.

Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.Examples and figures which serve to illustrate the present invention are given below.

Hierbei zeigen die Figuren:

  • 1 zeigt den ersten Zyklus einer Graphit-Anode in einer Graphit/Lithium-Halbzelle unter Verwendung einer Elektrolytlösung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on (Additiv) in Propylencarbonat (PC), sowie von Vergleichselektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 in Propylencarbonat oder einer 1:1-Mischung von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC). Aufgetragen ist das Potential gegen die spezifische Kapazität.
  • 2 zeigt das oxidative Stabilitätsfenster in LiMn2O4/Li Halbzellen des Elektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on in Propylencarbonat (PC), sowie von Vergleichselektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 in einer 1:1-Mischung von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) mit oder ohne 5 Gew.-% VC.
  • 3 zeigt die Konstantstromzyklisierung einer NMC/Graphit-Vollzelle unter Verwendung der Elektrolytlösung enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on (Additiv) in Propylencarbonat (PC), sowie eines Vergleichselektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 in einer 1: 1-Mischung von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) über 50 Zyklen. Aufgetragen ist die spezifische Entladekapazität in mAh g-1 gegen die Anzahl der Zyklen. Nur jeder dritte Zyklus ist gezeigt.
  • 4 zeigt jeweils die Coulombsche Effizienz aufgetragen gegen die Zyklenzahl für die NMC/Graphit-Vollzelle unter Verwendung der Elektrolytlösung enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on (Additiv) in Propylencarbonat (PC), sowie eines Vergleichselektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 in einer 1: 1-Mischung von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) über 50 Zyklen. Nur jeder dritte Zyklus ist gezeigt.
Here are the figures:
  • 1 Figure 3 shows the first cycle of a graphite anode in a graphite / lithium half-cell using an electrolyte solution according to one embodiment of the invention containing 1 M LiPF 6 and 5% by weight of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one (Additive) in propylene carbonate (PC), as well as comparative electrolyte containing 1 M LiPF 6 in propylene carbonate or a 1: 1 mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC). The potential is plotted against the specific capacity.
  • 2 shows the oxidative stability window in LiMn 2 O 4 / Li half-cells of the electrolyte containing 1 M LiPF 6 and 5 wt .-% 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one in propylene carbonate (PC), as well as by comparative electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a 1: 1 mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) with or without 5 wt% VC.
  • 3 Figure 3 shows the constant current cycling of a full NMC / graphite cell using the electrolytic solution containing 1 M LiPF 6 and 5% by weight of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one (additive) in propylene carbonate (PC), as well as a Comparative electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a 1: 1 mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) over 50 cycles. Plotted is the specific discharge capacity in mAh g -1 against the number of cycles. Only every third cycle is shown.
  • 4 shows, respectively, the Coulomb efficiency versus number of cycles for the NMC / graphite full cell using the electrolytic solution containing 1 M LiPF 6 and 5 wt% 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one (additive) in FIG Propylene carbonate (PC), and a comparative electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a 1: 1 mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) over 50 cycles. Only every third cycle is shown.

Beispiel 1example 1

Herstellung von 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-onPreparation of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one

Die Synthese erfolgte wie von S. Chang et al. in J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, Seiten 4534-4542 beschrieben. Hierzu wurden 50 mmol Acetohydroxamsäure (Sigma-Aldrich) in 500 mL Dichloromethan gelöst. Hierzu wurden 50 mmol 1,1'-Carbonyldiimidazol (Combi-Blocks) in einer Portion bei Raumtemperatur (20 °C ± 2 °C) hinzugegeben. Nach Rühren für 16 Stunden wurde die Reaktionsmischung mit 300 mL an 1 M HCl gequencht, drei Mal mit jeweils 150 mL Dichlormethan extrahiert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Das Lösungsmittel wurde unter vermindertem Druck entfernt und 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on wurde als farbloses, leicht-gelbliches Öl erhalten.The synthesis was carried out as from S. Chang et al. in J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, pages 4534-4542 described. To this was dissolved 50 mmol acetohydroxamic acid (Sigma-Aldrich) in 500 mL dichloromethane. To this was added 50 mmol of 1,1'-carbonyldiimidazole (Combi blocks) in one portion at room temperature (20 ° C ± 2 ° C). After stirring for 16 hours, the reaction mixture was quenched with 300 mL of 1 M HCl, extracted three times with 150 mL each of dichloromethane, and dried over magnesium sulfate. The solvent was removed under reduced pressure and 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one was obtained as a colorless, slightly yellowish oil.

Das erhaltene Reaktionsprodukt wurde mittels 1H- und 13C-NMR untersucht, wobei die 1H- und 13C-Signale den erwarteten Werten für 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on entsprachen.The resulting reaction product was analyzed by 1 H and 13 C NMR, with the 1 H and 13 C signals corresponding to the expected values for 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one.

Beispiel 2Example 2

Bestimmung der spezifischen Kapazität in einer Graphit/Li-Halbzelle Determination of specific capacity in a graphite / Li half-cell

Für die Bestimmung der spezifischen Kapazität in Halbzellen wurde eine drei Elektroden Zelle (Swagelok®-Typ) verwendet. Als Elektroden wurden Graphit-Elektroden (SFG6L, Imerys SA) benutzt. Als Separator wurde ein Polymerfließ (Freudenberg SE, FS2226) verwendet. Lithiumfolie (Rockwood Lithium, Batteriereinheit) diente als Referenz- und Gegenelektrode.For the determination of the specific capacity half-cell in a three electrode cell (Swagelok ® type) was used. The electrodes used were graphite electrodes (SFG6L, Imerys SA). The separator used was a polymer flow (Freudenberg SE, FS2226). Lithium foil (Rockwood lithium, battery unit) served as reference and counter electrode.

Ein Elektrolyt enthaltend 1 M LiPF6 (BASF, Batterie Reinheit) und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on erhalten aus Beispiel 1 wurde hergestellt, indem die benötigte Menge an LiPF6 in Propylencarbonat (PC, BASF, Batterie Reinheit) gelöst und die entsprechende Menge an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zugegeben wurde. In gleicher Weise wurden Vergleichs-Elektrolyte enthaltend 1 M LiPF6 in Propylencarbonat sowie einem Gemisch von Ethylencarbonat (BASF, Batterie Reinheit) und Dimethylcarbonat (BASF, Batterie Reinheit) (EC:DMC) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt.An electrolyte containing 1 M LiPF 6 (BASF, battery purity) and 5 wt .-% 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one obtained from Example 1 was prepared by adding the required amount of LiPF 6 in propylene carbonate (PC, BASF, battery purity) and the corresponding amount of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one was added. In the same way, comparative electrolytes containing 1 M LiPF 6 in propylene carbonate and a mixture of ethylene carbonate (BASF, battery purity) and dimethyl carbonate (BASF, battery purity) (EC: DMC) were prepared in a weight ratio of 1: 1.

Untersucht wurden der erste Lade- und der erste Entladeprozess zwischen 0,025 V und 1,5 V vs. Li/Li+ bei einer C-Rate von 0,2C. Zusätzlich wurde das Potential für eine Stunde bei 0,025 V vs. Li/Li+ konstant gehalten. Die 1 zeigt den ersten Zyklus der Graphit/Lithium-Halbzelle für die untersuchten Elektrolyte. Wie man der 1 entnimmt, zeigte der Vergleichselektrolyten 1 M LiPF6 in Propylencarbonat keine reversible Kapazität. Das Zufügen von 5 Gew.-% an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zu diesem Propylencarbonatbasierten Elektrolyten ermöglichte ein reversibles Zyklisieren, entsprechend der positiven Kontrolle des Vergleichselektrolyten enthaltend 1 M LiPF6 in einer 1:1-Mischung von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat.The first charging process and the first discharging process between 0.025 V and 1.5 V were investigated vs. Li / Li + at a C rate of 0.2C. In addition, the potential for one hour at 0.025 V vs. Li / Li + kept constant. The 1 shows the first cycle of the graphite / lithium half cell for the investigated electrolytes. How to get the 1 takes the comparison electrolyte showed 1 M LiPF 6 in propylene carbonate no reversible capacity. Addition of 5% by weight of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one to this propylene carbonate-based electrolyte allowed reversible cyclization, corresponding to the positive control of the comparative electrolyte containing 1 M LiPF 6 in a 1: 1 ratio. Mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate.

Beispiel 3Example 3

Bestimmung der oxidativen elektrochemischen Stabilität in einer LMO/Li-HalbzelleDetermination of oxidative electrochemical stability in a LMO / Li half-cell

Die Bestimmung der oxidativen Stabilität der Elektrolyten in Halbzellen erfolgte mittels Linear Sweep-Voltammetrie. Bei diesem Verfahren erfolgt eine kontinuierliche Änderung der Elektrodenspannung (linear sweep). Hierfür wurde eine drei Elektroden Zelle (Swagelok®-Typ) unter Verwendung von Lithium-Mangan-oxid (LMO, Customcells GmbH) als Arbeitselektrode benutzt. Lithiumfolie (Rockwood Lithium, Batteriereinheit) diente als Referenz- und Gegenelektrode. Als Separator wurde ein Polymerfließ (Freudenberg SE, FS2226) verwendet. Zur Bestimmung der oxidativen Stabilität wurde das Potential zwischen Arbeits- und Referenzelektrode von der Leerlaufspannung auf 6 V erhöht. Die Vorschubgeschwindigkeit des Potentials betrug 0,05 mV s-1.The determination of the oxidative stability of the electrolytes in half cells was carried out by means of linear sweep voltammetry. In this method, there is a continuous change in the electrode voltage (linear sweep). For this purpose, a three-electrode cell (Swagelok ® type) using lithium manganese oxide (LMO, Custom Cells GmbH) was used as working electrode. Lithium foil (Rockwood lithium, battery unit) served as reference and counter electrode. The separator used was a polymer flow (Freudenberg SE, FS2226). To determine the oxidative stability, the potential between the working and reference electrodes was increased from the no-load voltage to 6 V. The feed rate of the potential was 0.05 mV s -1 .

Der Elektrolyt enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on erhalten aus Beispiel 1 wurde hergestellt, indem die benötigte Menge an LiPF6 in Propylencarbonat gelöst und die entsprechende Menge an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zugegeben wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben. In gleicher Weise wurden Vergleichs-Elektrolyte hergestellt, wobei ein Vergleichs-Elektrolyt 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 enthielt, und ein zweiter Vergleichs-Elektrolyt zusätzlich 5 Gew.-% des Additivs Vinylencarbonat (VC, UBE Industries).The electrolyte containing 1 M LiPF 6 and 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one obtained from Example 1 was prepared by dissolving the required amount of LiPF 6 in propylene carbonate and the corresponding amount 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one was added as described in Example 2. Similarly, comparative electrolytes were prepared using a comparative electrolyte 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) in a weight ratio of 1: 1, and a second comparative electrolyte additionally 5 wt .-% of the additive vinylene carbonate (VC, UBE Industries).

Die 2 zeigt das oxidative Stabilitätsfenster der Elektrolyte für ein Potential vs. Li/Li+ im Bereich von 3 V bis 6 V. Wie man der 2 entnimmt, war der Elektrolyt enthaltend 5 Gew.-% an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on in Propylencarbonat bis 5,6 V vs. Li/Li+ stabil, die Elektrolyte in Ethylencarbonat/Dimethylcarbonat mit oder ohne Zusatz von 5 Gew.-% Vinylencarbonat jeweils bis 4,7 V und 5,3 V vs. Li/Li+.The 2 shows the oxidative stability window of the electrolytes for a potential vs. Li / Li + in the range of 3 V to 6 V. How to get the 2 The electrolyte containing 5% by weight of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one in propylene carbonate was up to 5.6 V vs. Li / Li + stable, the electrolytes in ethylene carbonate / dimethyl carbonate with or without the addition of 5 wt .-% vinylene carbonate in each case to 4.7 V and 5.3 V vs.. Li / Li + .

Der erfindungsgemäße Elektrolyt enthaltend 5 Gew.-% an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zeigt somit ein deutlich höheres oxidatives Stabilitätslimit als der Vinylencarbonat-basierende Elektrolyt. Dies weist daraufhin, dass 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on später oxidiert wird als Vinylencarbonat, und somit eine bessere Hochvoltstabilität aufweist. Der erfindungsgemäße Elektrolyt enthaltend 5 Gew.-% an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on in Propylencarbonat zeigt auch eine deutlich höhere oxidative Stabilität als der Referenzelektrolyt 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC). Entsprechend ist 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on aufgrund seiner hohen oxidativen Stabilität insbesondere für Anwendungen mit Hochvoltelektrodenmaterialien verwendbar.The electrolyte according to the invention containing 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one thus shows a significantly higher oxidative stability limit than the vinylene carbonate-based electrolyte. This indicates that 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one is later oxidized as vinylene carbonate, and thus has better high-voltage stability. The electrolyte according to the invention containing 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one in propylene carbonate also shows a significantly higher oxidative stability than the reference electrolyte 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC). Accordingly, due to its high oxidative stability, 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one is particularly useful for high voltage electrode material applications.

Somit kann eine effektive Passivierung von Graphit durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Dioxazolon-Derivate in geringen Gewichtsanteilen im Elektrolyten erzielt werden. Dadurch, dass bereits 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on in Propylencarbonat für die Ausbildung einer Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf Graphit-Elektroden ausreichen, ist die Verwendung von Dioxazolonen als Additiv für Propylencarbonat-basierte Elektrolyte auch wirtschaftlich.Thus, an effective passivation of graphite can be achieved by the use of the dioxazolone derivatives according to the invention in small proportions by weight in the electrolyte. The fact that already 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one in propylene carbonate sufficient for the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) on graphite electrodes, the use of dioxazolones as an additive for Propylene carbonate-based electrolytes also economical.

Beispiel 4Example 4

Untersuchung der Langzeitzyklenstabilität unter Anlegen eines konstanten StromsInvestigation of long-term cycle stability under application of a constant current

Die Untersuchung der Langzeitzyklenstabilität erfolgte in Vollzellen eines Knopfzellaufbaus (Hohsen Corp., CR2032) unter Verwendung von Litihum-Nickel1/3-Mangan1/3-Cobalt1/3-Oxid (NMC(111), Customcells GmbH) und Graphit Elektroden (Customcells GmbH). Als Separator wurde ein Polymerfließ (Freudenberg SE, FS2226) verwendet. Die Zyklisierungen wurden in einem Spannungsfenster von 4,2 V bis 2,8 V durchgeführt. Es wurden 2 Formierungszyklen gefahren bei 0,1C (inklusive Halten der Spannung bei 4,2V bis der Strom <0,05C ist), gefolgt von 3 Konditionierungszyklen bei 0,33C (inklusive Halten der Spannung bei 4,2V bis der Strom <0,05C ist und einem Warteschritt von einer Stunde), gefolgt von 95 1,0C Lade-/Entladezyklen. Die Messungen bei konstantem Strom wurden an einem Batterietester Series 4000 (Maccor) bei 20 °C ± 0,1°C durchgeführt.Long-term cycle stability was assessed in whole cells of a button cell assembly (Hohsen Corp., CR2032) using lithium 1/3 manganese 1/3 cobalt 1/3 oxide (NMC (111), Customcells GmbH) and graphite electrodes. Customcells GmbH). The separator used was a polymer flow (Freudenberg SE, FS2226). The cyclizations were performed in a voltage window of 4.2V to 2.8V. Two cycles of formation were run at 0.1C (including holding the voltage at 4.2V until the current is <0.05C) followed by 3 conditioning cycles at 0.33C (including holding the voltage at 4.2V until the current <0 , 05C and one hour wait), followed by 95 1.0C charge / discharge cycles. The constant current measurements were made on a Battery Tester Series 4000 (Maccor) at 20 ° C ± 0.1 ° C.

Der Elektrolyt enthaltend 1 M LiPF6 und 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on erhalten aus Beispiel 1 wurde hergestellt, indem die benötigte Menge an LiPF6 in Propylencarbonat gelöst und die entsprechende Menge an 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zugegeben wurde, wie in Beispiel 2 beschrieben. Als Vergleichs-Elektrolyt wurde eine Lösung von 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 hergestellt.The electrolyte containing 1 M LiPF 6 and 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one obtained from Example 1 was prepared by dissolving the required amount of LiPF 6 in propylene carbonate and the corresponding amount 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one was added as described in Example 2. As a comparative electrolyte, a solution of 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) was prepared in a weight ratio of 1: 1.

In 3 ist die spezifische Entladekapazität der NMC/Graphit-Vollzelle gegen die Zyklenzahl und in 4 die Coulombsche Effizienz gegen die Zyklenzahl unter Verwendung der jeweiligen Elektrolyte gezeigt. Wie die 3 zeigt, zeigte der Elektrolyt enthaltend 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on nur einen geringen Kapazitätsverlust über 50 Zyklen. Die Kapazitätserhaltung im Zyklus 50 bezogen auf den ersten Zyklus bei 1,0C (Zyklus 6) betrug 98,7%. Der Vergleichs-Elektrolyt 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) zeigte eine Kapazitätserhaltung von 98,1%. In 3 is the specific discharge capacity of the NMC / graphite full cell against the number of cycles and in 4 Coulombic efficiency vs. number of cycles using the respective electrolytes. As the 3 shows the electrolyte containing 5 wt .-% of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one only a small capacity loss over 50 cycles. The capacity maintenance in the cycle 50 based on the first cycle at 1.0C (cycle 6 ) was 98.7%. The comparative electrolyte 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) showed a capacity retention of 98.1%.

Aus 4 kann man weiter entnehmen, dass die Coulombsche Effizienz im ersten Zyklus 85,3% für den Elektrolyten enthaltend 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on betrug. Der Vergleichs-Elektrolyt 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC) zeigte eine Coulombsche Effizienz im ersten Zyklus von 86,3%. Die Vollzelle mit dem Elektrolyten enthaltend 5 Gew.-% 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on zeigte somit eine gute Zyklenstabilität, entsprechend dem Vergleichs-Elektrolyt 1 M LiPF6 in einem Gemisch von Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat (EC:DMC).Out 4 One can further deduce that the Coulomb efficiency in the first cycle 85 3% for the electrolyte containing 5% by weight of 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one. The comparative electrolyte 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC) showed a Coulomb efficiency of 86.3% in the first cycle. The full cell with the electrolyte containing 5 wt .-% 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one thus showed good cycle stability, corresponding to the comparative electrolyte 1 M LiPF 6 in a mixture of ethylene carbonate and dimethyl carbonate (EC: DMC).

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass 3-Methyl-1,4,2-dioxoazol-5-on eine passivierende, Lithium-Ionen leitende Schutzschicht auf der Oberfläche von Graphit ausbildet, für Hochvoltanwendungen geeignet ist und Lithium-Ionen-Batterien mit einer guten Zyklenstabilität betrieben werden können.Overall, the results show that 3-methyl-1,4,2-dioxoazol-5-one forms a passivating lithium ion conductive protective layer on the surface of graphite, is suitable for high voltage applications, and lithium ion batteries with good cycle stability can be operated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010020992 A1 [0005]DE 102010020992 A1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • S. Chang et al. in J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, Seiten 4534-4542 [0043]S. Chang et al. in J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, pages 4534-4542 [0043]

Claims (10)

Elektrolyt für einen elektrochemischen Energiespeicher umfassend ein Elektrolytsalz und ein Lösemittel, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt wenigstens eine Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wie nachstehend angegeben umfasst:
Figure DE102017107257A1_0004
worin: X ist C, S oder S=O; R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy, C3-C7-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Arylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit wenigstens einem Substituenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend F, C1-4-Alkyl und/oder CN substituiert sind, und R2 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C10-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, und/oder C6-C10-Aryl.
Electrolyte for an electrochemical energy store comprising an electrolyte salt and a solvent, characterized in that the electrolyte comprises at least one compound according to the general formula (1) as indicated below:
Figure DE102017107257A1_0004
wherein: X is C, S or S = O; R 1 is selected from the group comprising CN, C 1 -C 10 -alkyl, C 1 -C 10 -alkoxy, C 3 -C 7 -cycloalkyl, C 6 -C 10 -aryl and / or -CO-OR 2 , wherein the alkyl, alkoxy, cycloalkyl and aryl groups are each unsubstituted or monosubstituted or polysubstituted by at least one substituent selected from the group consisting of F, C 1-4 alkyl and / or CN, and R 2 is selected from the group comprising C 1 -C 10 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, and / or C 6 -C 10 -aryl.
Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass R1 ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN und/oder unsubstituiertes oder einfach oder mehrfach mit Fluor substituiertes C1-C5-Alkyl oder Phenyl.Electrolyte after Claim 1 , characterized in that R 1 is selected from the group comprising CN and / or unsubstituted or mono- or polysubstituted with fluorine-substituted C 1 -C 5 alkyl or phenyl. Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass X Kohlenstoff ist und R1 ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend CH3, CF3, CN, tert-Butyl und/oder Phenyl.Electrolyte after Claim 1 or 2 , characterized in that X is carbon and R 1 is selected from the group comprising CH 3 , CF 3 , CN, tert-butyl and / or phenyl. Elektrolyt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt die Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) im Bereich von ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 10 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,5 Gew.-% bis ≤ 7 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 3 Gew.-% bis ≤ 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthält.Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte, the compound according to the general formula (1) in the range of ≥ 0.1 wt .-% to ≤ 10 wt .-%, preferably in the range of ≥ 0.5 wt .-% to ≤ 7 wt .-%, preferably in the range of ≥ 3 wt .-% to ≤ 5 wt .-%, based on the total weight of the electrolyte containing. Elektrolyt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend ein nicht-fluoriertes oder teilfluoriertes organisches Lösemittel, eine ionische Flüssigkeit, eine Polymermatrix und/oder Mischungen davon.Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that the solvent is selected from the group comprising a non-fluorinated or partially fluorinated organic solvent, an ionic liquid, a polymer matrix and / or mixtures thereof. Elektrolyt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel ein organisches Lösemittel ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ethylencarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Acetonitril, Propionitril, 3-Methoxypropionitril, Glutaronitril, Adiponitril, Pimelonitril, gamma-Butyrolacton, gamma-Valerolacton, Dimethoxyethan, 1,3-Dioxolan, Methylacetat, Ethylacetat, Ethylmethansulfonat, Dimethylmethylphosphonat, lineares oder cyclisches Sulfon, symmetrische oder nicht-symmetrische Alkylphosphate und/oder deren Mischungen.Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that the solvent is an organic solvent selected from the group comprising ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, acetonitrile, propionitrile, 3-methoxypropionitrile, glutaronitrile, adiponitrile, pimelonitrile, gamma-butyrolactone, gamma-valerolactone, dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, ethyl methanesulfonate, dimethyl methyl phosphonate, linear or cyclic sulfone, symmetrical or non-symmetrical alkyl phosphates and / or mixtures thereof. Elektrolyt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolytsalz ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiSbF6, LiClO4, LiPtCl6, LiN(SO2F)2, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiC(SO2CF3)3, LiB(C2O4)2, LiBF2(C2O4) und/oder LiSO3CF3, bevorzugt LiPF6.Electrolyte according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte salt is selected from the group comprising LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiClO 4 , LiPtCl 6 , LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiBF 2 (C 2 O 4 ) and / or LiSO 3 CF 3 LiPF 6 . Elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere Superkondensator oder Lithiumbasierter elektrochemischer Energiespeicher, umfassend einen Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Electrochemical energy store, in particular supercapacitor or lithium-based electrochemical energy store, comprising an electrolyte according to one of Claims 1 to 7 , Verfahren zur Ausbildung einer Festkörper-Elektrolyt-Phasengrenzfläche auf einer Elektrode einer elektrochemischen Zelle umfassend eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten, wobei man die Zelle unter Verwendung eines Elektrolyten nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betreibt.A method of forming a solid electrolyte phase interface on an electrode of an electrochemical cell comprising an anode, a cathode and an electrolyte, which method comprises using an electrolyte according to any one of Claims 1 to 7 operates. Verwendung einer Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (1) wie nachstehend angegeben:
Figure DE102017107257A1_0005
worin: X ist C, S oder S=O; R1 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend CN, C1-C10-Alkyl, C1-C10-Alkoxy, C3-C7-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl und/oder -CO-O-R2, wobei die Alkyl-, Alkoxy-, Cycloalkyl- und Arylgruppen jeweils unsubstituiert oder einfach oder mehrfach mit wenigstens einem Substituenten ausgewählt aus der Gruppe umfassend F, C1-4-Alkyl und/oder CN substituiert sind, und R2 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend C1-C10-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, und/oder C6-C10-Aryl, in einem elektrochemischen Energiespeicher, insbesondere einem Superkondensator oder Lithium-Ionen-basierten elektrochemischen Energiespeicher.
Use of a compound according to the general formula (1) as indicated below:
Figure DE102017107257A1_0005
wherein: X is C, S or S = O; R 1 is selected from the group comprising CN, C 1 -C 10 -alkyl, C 1 -C 10 -alkoxy, C 3 -C 7 -cycloalkyl, C 6 -C 10 -aryl and / or -CO-OR 2 , wherein the alkyl, alkoxy, cycloalkyl and aryl groups are each unsubstituted or monosubstituted or polysubstituted by at least one substituent selected from the group consisting of F, C 1-4 alkyl and / or CN, and R 2 is selected from the group comprising C 1 -C 10 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, and / or C 6 -C 10 -aryl, in an electrochemical energy store, in particular a supercapacitor or lithium-ion-based electrochemical energy store.
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