DE102018006111A1 - Solid state electrolytes and their production - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein besonders schnelles Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten (SPE) durch eine kationische Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion einer Vorläuferlösung, die wenigstens ein Lithiumsalz sowie wenigstens ein flüssiges heterozyklisches Monomer oder Oligomer umfasst, wobei die Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion in Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt wird.Der so hergestellte polymere Festkörperelektrolyt, weist regelmäßig eine niedrige Glasübergangstemperatur von weniger als - 50 °C auf. Bislang untersuchte Festelektrolyte wiesen eine lonenleitfähigkeit zwischen 5·10S cmund 1,2·10S cmbei 30 °C, sowie ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster von mehr als 5 V gegen Li/Liauf.Damit sind die hier vorgestellten, erfindungsgemäß im CROP-Verfahren hergestellten polymeren Festkörperelektrolyte (SPE) ein wichtiger Kandidat für die Entwicklung einer vollwertigen Lithium-Metall-Batterie.The invention discloses a particularly rapid process for preparing a solid polymer electrolyte (SPE) by a cationic ring opening and polymerization reaction of a precursor solution comprising at least one lithium salt and at least one liquid heterocyclic monomer or oligomer, the ring opening and polymerization reaction being carried out in the absence of a solvent The polymer solid electrolyte produced in this way regularly has a low glass transition temperature of less than - 50 ° C. Solid electrolytes investigated to date have an ionic conductivity between 5 · 10S cm and 1.2 · 10S cm at 30 ° C, as well as a broad electrochemical stability window of more than 5 V against Li / Liauf (SPE) is an important candidate for the development of a fully-fledged lithium metal battery.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der polymeren Festkörperelektrolyte (engl. solid polymer electrolyte, SPE) für Lithium-Ionen-Batterien, und insbesondere auf deren Herstellung.The invention relates to the field of polymeric solid polymer electrolytes (SPE) for lithium-ion batteries, and in particular to their manufacture.

Stand der TechnikState of the art

Polymerelektrolyte werden aufgrund der Möglichkeit der Erzeugung einer kompletten Festkörperenergie-Speicheranlage als sichere Alternative zu bestehenden und weit verbreiteten, auf organischen Carbonaten basierenden, flüssigen Elektrolyten vorgeschlagen[1].Due to the possibility of producing a complete solid-state energy storage system, polymer electrolytes are proposed as a safe alternative to existing and widespread liquid electrolytes based on organic carbonates [1] .

Im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien (LiB) werden durch den Einsatz fester Materialien mehr Sicherheit, eine architektonische Leichtigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine gute Wirtschaftlichkeit erwartet.In the field of lithium-ion batteries (LiB), more safety, architectural lightness, high temperature resistance and good economy are expected through the use of solid materials.

Allerdings gibt es bei einer kompletten Festkörperenergie-Speicheranlage auch einige Einschränkungen, wie z. B. eine relativ niedrige lonenleitfähigkeit, geringe Kationen-Transporteigenschaften und strenge Verarbeitungsbedingungen (Verwendung von teuren und/oder giftigen organischen Lösungsmitteln), die eine kommerzielle Umsetzung bislang verhindert haben.However, there are also some restrictions with a complete solid-state energy storage system, such as. B. a relatively low ionic conductivity, low cation transport properties and strict processing conditions (use of expensive and / or toxic organic solvents), which have hitherto prevented commercial implementation.

So haben Forscher bereits mehrere Ansätze vorgeschlagen[2], einschließlich der vielversprechendsten in-situ Präparation [3,4] von UV induzierten und/oder der thermisch induzierten Herstellung von Polymerelektrolyten nach einem etablierten lösungsmittelfreien Verfahren, wie der radikalischen Polymerisation[5].Researchers have already proposed several approaches [2] , including the most promising in-situ preparation [3,4] of UV-induced and / or the thermally induced production of polymer electrolytes using an established solvent-free process such as radical polymerization [5] .

Die durch Hitze oder UV-Bestrahlung induzierte radikalische Polymerisation erfordert einen Initiator, der freie Radikale erzeugt. Allerdings besteht bei Radikalinitiatoren das Problem, dass diese bei der Polymerisation mit klassischen Initiatoren, wie Alkylperoxiden oder Azobisisobutyronitril, Nebenprodukte wie beispielsweise O2 oder N2 erzeugen.The radical polymerization induced by heat or UV radiation requires an initiator that generates free radicals. However, the problem with radical initiators is that they produce by-products such as O 2 or N 2 when polymerized with classic initiators such as alkyl peroxides or azobisisobutyronitrile.

Andere Arten von Radikalinitiatoren benötigen sehr hohe Temperaturen oder ein geeignetes Lösungsmittel für die effektive Polymerisation. Im Falle der UV-induzierten Polymerisation wird - obwohl der Prozess gut etabliert und schnell ist - wenn der Elektrolyt über der Elektrode abgeschieden werden muss, nachteilig keine vollständige Umwandlung von Monomer zu Polymer erreicht, da die Reaktion nicht im nicht exponierten (dunklen) Bereich stattfindet. Other types of radical initiators require very high temperatures or a suitable solvent for the effective polymerization. In the case of UV-induced polymerization, although the process is well established and fast, if the electrolyte has to be deposited over the electrode, disadvantageous no complete conversion from monomer to polymer is achieved, since the reaction does not take place in the unexposed (dark) area ,

Daher ist es wünschenswert, über Alternativen zu den klassischen Methoden und zum Einsatz von Monomeren nachzudenken.It is therefore desirable to think about alternatives to classic methods and the use of monomers.

Eine weitere Methode zur Herstellung von Polymerelektrolyten liefern hier Ringöffnungsreaktionen.Another method for the production of polymer electrolytes is provided by ring opening reactions.

Eine ringöffnende Polymerisation ist eine Kettenpolymerisation, bei der ein zyklisches Monomer durch Bindungsbruch und anschließende Ausbildung einer (zumeist) gleichartigen Bindung zu einer weiteren Einheit zu einem meist linearen Polymer umgesetzt wird. Es gibt aber auch Beispiele, bei dem durch den Einsatz von nichtlinearen Monomeren ein stark verzweigtes Produkt erhalten wird.A ring-opening polymerization is a chain polymerization in which a cyclic monomer is converted into a mostly linear polymer by breaking the bond and then forming a (mostly) similar bond to a further unit. However, there are also examples in which a highly branched product is obtained by using nonlinear monomers.

Bei den ringöffnenden Polymerisationen (engl. ring-opening polymerization, ROP) unterscheidet man zwischen radikalischer, anionischer ringöffnenden Polymerisationen (engl. anionic ring-opening polymerization, AROP) und kationischer ringöffnenden Polymerisationen (engl. cationic ring-opening polymerization, CROP).In ring-opening polymerizations (ROP), a distinction is made between radical, anionic ring-opening polymerizations (AROP) and cationic ring-opening polymerizations (CROP).

CROP-Verfahren[6] zur Herstellung von Polymeren sind industriell gut etabliert. Sie verwenden in der Regel Bronsted -Säuren (z. B. HCl, H2SO4, HClO4 und HOSO2CF3) und/oder Lewis-Säuren (BF3) als Ausgangsstoffe. Die Reaktion erfolgt in der Regel durch Wärme- oder UV-Bestrahlung.CROP processes [6] for the production of polymers are well established industrially. They usually use Bronsted acids (e.g. HCl, H 2 SO 4 , HClO 4 and HOSO 2 CF 3 ) and / or Lewis acids (BF 3 ) as starting materials. The reaction is usually carried out by heat or UV radiation.

Die kationische Ringöffnungspolymerisation (CROP) kann eine alternative Technik darstellen, die zielspezifische Polymere für die Entwicklung von Festkörperelektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien herstellen kann. CROP-Verfahren sind allerdings im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien noch nicht weit verbreitet.Cationic ring opening polymerization (CROP) can be an alternative technique that can produce target-specific polymers for the development of solid state electrolytes for lithium-ion batteries. However, CROP processes are not yet widely used in the field of lithium-ion batteries.

Dreyfuss et al.[7] zeigten bereits 1976, dass Alkalisalze ein Initiator für die kationische Polymerisation von heterozyklischen Molekülen sein können. Später berichteten Miwa et al.[8,9], dass die Ringöffnungspolymerisation von Oxetanen unter Verwendung von Lithiumsalzen wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) und Bis(trifluormethan) sulfonimid-Lithiumsalz (LiN(CF3SO2)2) in Gegenwart geeigneter Lösungsmittel stattfinden kann. Später haben sie auch gezeigt, dass das Lösungsmittel eine entscheidende Rolle in der Polymerisationskinetik spielt. Diese ersten Arbeiten legten den Grundstein für die alkalisalzinduzierte Ringöffnungspolymerisation von heterozyklischen Monomeren.
Kürzlich haben Cui et al.[10] die Idee der Polymerisation von Epoxidoligomeren mit Lithiumsalz untersucht und die Leistungsfähigkeit von Festkörperelektrolyten in LiFePO4-basierten Lithium-Metall-Zellen demonstriert. Sie berichteten über die Herstellung eines festen Polymerelektrolyten unter Verwendung von LiDFOB in einer katalytischen Menge (1,5 Gew.-%), um die Ringöffnungspolymerisationsreaktion einzuleiten, die sie bei 80 °C für 4 Stunden durchgeführt haben. Sie produzierten eine Festkörperelektrolyten-Membran, die bei Umgebungsbedingungen eine lonenleitfähigkeit von 0,089 mS cm-1 aufweist. Sie zeigten auch, dass diese Membranen ein elektrochemisches Stabilitätsfenster von 4,5 V gegenüber Li/Li+ haben und die entsprechenden Zellen bei Umgebungsbedingungen für 100 Zyklen lang zyklisch arbeiteten[10].
Dreyfuss et al. Already in 1976 [7] showed that alkali salts can be an initiator for the cationic polymerization of heterocyclic molecules. Miwa et al. [8.9] that the Ring opening polymerization of oxetanes using lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) and bis (trifluoromethane) sulfonimide lithium salt (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) can take place in the presence of suitable solvents. Later they also showed that the solvent plays a crucial role in the polymerization kinetics. This first work laid the foundation for the alkali salt-induced ring opening polymerization of heterocyclic monomers.
Recently, Cui et al. [10] investigated the idea of polymerizing epoxy oligomers with lithium salt and demonstrated the performance of solid-state electrolytes in LiFePO 4 -based lithium metal cells. They reported the preparation of a solid polymer electrolyte using LiDFOB in a catalytic amount (1.5% by weight) to initiate the ring opening polymerization reaction, which they carried out at 80 ° C for 4 hours. They produced a solid electrolyte membrane that has an ionic conductivity of 0.089 mS cm -1 under ambient conditions. They also showed that these membranes have an electrochemical stability window of 4.5 V compared to Li / Li + and that the corresponding cells cycled under ambient conditions for 100 cycles [10].

Der Prozess ist jedoch zeitaufwendig und das eingesetzte LiDFOB ordnet sich nachteilig um und führt zu CO2 als Gas.However, the process is time-consuming and the LiDFOB used rearranges itself and leads to CO 2 as a gas.

Nachteilig verwenden bisherige CROP-Verfahren in der Regel Brcensted-Säuren (z.B. HCl, H2SO4, HClO4 und HOSO2CF3) und I- oder Lewis-Säuren (BF3) als Katalysator.Previous CROP processes generally use Brcensted acids (for example HCl, H 2 SO 4 , HClO 4 and HOSO 2 CF 3 ) and I or Lewis acids (BF3) as catalysts as a disadvantage.

Aufgabe und LösungTask and solution

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives, schnelles und effektives Verfahren zur Herstellung von solchen vorgenannten polymeren Festelektrolyten (ESP) für den Einsatz in Lithium-Batterien sowie entsprechende polymeren Festelektrolyte anzugeben.The object of the invention is to provide an alternative, fast and effective process for the production of the aforementioned polymeric solid electrolytes (ESP) for use in lithium batteries and corresponding polymeric solid electrolytes.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten (SPE) mit den Merkmalen des Hautanspruchs sowie durch einen Polymerelektrolyt (SPE) mit den Merkmalen gemäß Nebenanspruch.The objects of the invention are achieved by a method for producing a polymer solid electrolyte (SPE) with the features of the skin claim and by a polymer electrolyte (SPE) with the features according to the auxiliary claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Polymerelektrolyten ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.Advantageous refinements of the method and of the polymer electrolyte result from the claims which refer back to them.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die vorliegende Erfindung beschreibt die Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten (SPE) für Lithium-Batterien. Insbesondere wird eine neuartige präparative Methode zur Herstellung eines vollständig vernetzten, dreidimensionalen (3D) Netzwerk-basierten Festpolymerelektrolyten über eine kationische Ringöffnungspolymerisation (CROP) vorgeschlagen.The present invention describes the production of a polymer solid electrolyte (SPE) for lithium batteries. In particular, a novel preparative method for producing a completely cross-linked, three-dimensional (3D) network-based solid polymer electrolyte via a cationic ring opening polymerization (CROP) is proposed.

Die vernetzten Festkörperelektrolyte werden durch ein schnelles Verfahren hergestellt, bei dem heterozyklische Monomere oder auch Oligomere auf Epoxidbasis in Gegenwart wenigstens eines geeigneten Lithiumsalzes geöffnet werden. Das wenigstens eine Lithiumsalz ist dabei in der Lage, eine Lewis-Säure oder eine initiierende Spezies für die Polymerisation zu erzeugen.The crosslinked solid-state electrolytes are produced by a rapid process in which heterocyclic monomers or also oligomers based on epoxy are opened in the presence of at least one suitable lithium salt. The at least one lithium salt is able to generate a Lewis acid or an initiating species for the polymerization.

Monomere sind niedermolekulare, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu unverzweigten oder verzweigten Polymeren zusammenschließen können. Monomere können Einzelsubstanzen, aber auch Gemische unterschiedlicher Verbindungen sein. Unter einem Oligomer wird ein Molekül verstanden, welches aus mehreren strukturell gleichen oder ähnlichen Einheiten aufgebaut ist. Bei einer größeren Anzahl von Einheiten spricht man von einem Polymer.Monomers are low molecular weight, reactive molecules that can combine to form unbranched or branched polymers. Monomers can be individual substances, but also mixtures of different compounds. An oligomer is understood to mean a molecule which is composed of several structurally identical or similar units. A larger number of units is called a polymer.

Eine Lewis-Säure ist ein elektrophiler Elektronenpaarakzeptor, kann also Elektronenpaare anlagern. Eine Lewis-Base ist dementsprechend ein Elektronenpaardonator, der Elektronenpaare abgeben kann. Mit dem Säure-Begriff nach Lewis ist es möglich, die sauren Eigenschaften von Stoffen zu erklären, die keine Protonendonatoren nach Bronsted sind.A Lewis acid is an electrophilic electron pair acceptor, so it can attach electron pairs. Accordingly, a Lewis base is an electron pair donor that can donate electron pairs. With the Lewis acid term, it is possible to explain the acidic properties of substances that are not Bronsted proton donors.

Generell basieren die erfindungsgemäß verwendeten Lithiumsalze, wie Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium difluoro(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und Lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), auf dem Anion von Supersäuren. Beispielsweise kann Tetrafluoroborat-Ion (BF4-) als Vorläufer für Schwefelhexafluorid (SF3), eine Lewis-Säure, dargestellt werden. Als besonders geeignet und effektiv als initiierende Spezies hat sich dabei Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) herausgestellt.In general, the lithium salts used according to the invention, such as lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), are based on the anion of Super acids. For example Tetrafluoroborate ion (BF 4 -) as a precursor for sulfur hexafluoride (SF 3 ), a Lewis acid. Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) has proven to be particularly suitable and effective as an initiating species.

Alle vorgenannten geeigneten Lithiumsalze führen in Kombination mit den Monomeren bzw. Oligomeren zu einer Polymerisation, wobei allerdings die Polymerisationszeit und die Temperatur vom Typ und der Konzentration des zugefügten Lithumsalzes abhängen. Ein generelles Schema zu einer Polymerbildungsreaktion über eine kationische Ringöffnungspolymerisation (CROP) ist in 1 dargestellt.All of the above-mentioned suitable lithium salts lead to polymerization in combination with the monomers or oligomers, although the polymerization time and the temperature depend on the type and concentration of the lithium salt added. A general scheme for a polymer formation reaction via a cationic ring opening polymerization (CROP) is in 1 shown.

Im Rahmen der Erfindung hat sich zudem herausgestellt, dass Mischungen geeigneter Lithiumsalze zusätzliche positive Effekte bewirken können. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass die Zugabe von LiDFOB aufgrund der Zersetzung des Salzes die Polymerisationszeit und die Polymerisationstemperatur kaum beeinflusst. Andererseits wurde aber auch festgestellt, dass die Zugabe von LiDFOB die Umwandlung von Monomeren in Polymere positiv beeinflusst. Allerdings führen höhere Konzentrationen an LIDFOB zur Gasbildung in der Polymermembrane. Dennoch hat sich beispielsweise die Kombination von LiBF4 und LiDFOB als sehr effektiv für die Polymerisation herausgestellt. Zudem äußerte sich ein Zusatz LiDFOB vorteilhaft in einer weiteren Verbesserung der gesamten elektrochemischen Leistung.Within the scope of the invention it has also been found that mixtures of suitable lithium salts can bring about additional positive effects. For example, it has been shown that the addition of LiDFOB hardly influences the polymerization time and the polymerization temperature due to the decomposition of the salt. On the other hand, it was also found that the addition of LiDFOB has a positive effect on the conversion of monomers into polymers. However, higher concentrations of LIDFOB lead to gas formation in the polymer membrane. Nevertheless, the combination of LiBF 4 and LiDFOB, for example, has proven to be very effective for the polymerization. In addition, an addition LiDFOB was advantageous in further improving the overall electrochemical performance.

Weitere Lithiumsalze, wie beispielsweise Lithium bis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI) oder Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), können zwar zusätzlich zu wenigstens einem der vorgenannten Lithiumsalze zugesetzt werden, diese nehmen aber nicht an der Polymerisation teil und fallen somit nicht unter die Bedingung, dass das geeignete Lithiumsalz in der Lage sein muss, eine Lewis-Säure oder eine initiierende Spezies für die Polymerisation zu erzeugen. LiTFSI kann aber beispielsweise zugefügt werden, um die lonenleitfähigkeit und die Zyklusleistung zu verbessern. Es nimmt aber nicht an einer Polymerisationsreaktion teil.Other lithium salts, such as lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI) or lithium bis (oxalato) borate (LiBOB), can be added to at least one of the aforementioned lithium salts, but they do not participate in the polymerization and are therefore not included in the Condition that the appropriate lithium salt must be able to generate a Lewis acid or an initiating species for the polymerization. However, LiTFSI can be added, for example, to improve ion conductivity and cycle performance. However, it does not take part in a polymerization reaction.

Insofern werden bei dem Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten durch eine kationische Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion einer Vorläuferlösung, die wenigstens ein flüssiges heterozyklisches Monomer oder wenigstens ein flüssiges Oligomer umfasst, dieser Vorläuferlösung ein oder mehrere Lithiumsalze aus der Gruppe Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium difluoro(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumperchlorat (LiC-IO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und Lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) mit oder ohne weitere Lithiumsalze aus der Gruppe LiTFSI or LiBOB zugesetzt.In this respect, in the method for producing a polymeric solid electrolyte by a cationic ring opening and polymerization reaction of a precursor solution which comprises at least one liquid heterocyclic monomer or at least one liquid oligomer, this precursor solution is one or more lithium salts from the group lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB), lithium perchlorate (LiC-IO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) with or without additional lithium salts from the group LiTFSI or LiBOB added.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere Monomere oder Oligomere eingesetzt werden, die wenigstens einen Glycidyletherrest oder auch mehr als einen Glycidyletherrest tragen (bifunktionell, trifunktionell, tetrafunktionell oder multifunktionell).Monomers or oligomers which carry at least one glycidyl ether residue or also more than one glycidyl ether residue (bifunctional, trifunctional, tetrafunctional or multifunctional) can be used in particular in the process according to the invention.

Die Formel für einen Glycidylether-Rest ist nachfolgend aufgeführt.

Figure DE102018006111A1_0001
The formula for a glycidyl ether residue is shown below.
Figure DE102018006111A1_0001

Im Weiteren wird eine Liste von Verbindungen zur Verfügung gestellt, die als flüssige Monomere oder als flüssige Oligomere zur Herstellung des erfindungsgemäßen polymeren Festkörperelektrolyten geeignet sind, wobei die Liste beispielhaft und nicht abschließend ist.

  1. a) Verbindungen umfassend Monoglycidylether, wie in 9A aufgeführt,
  2. b) Verbindungen umfassend Diglycidylether, wie in 9B aufgeführt.
  3. c) Verbindungen umfassend Tri- oder Tertraglycidylether, wie in 9C aufgeführt.
  4. d) Verbindungen umfassend substituiertes PSS-(3-Glycidyl)propoxy-Heptaisobutyl oder Cyclosiloxane, wie in 9D aufgeführt.
  5. e) Verbindungen umfassend Polyglycidylether, wie in 9E aufgeführt.
Furthermore, a list of compounds is made available which are suitable as liquid monomers or as liquid oligomers for the production of the polymeric solid electrolyte according to the invention, the list being exemplary and not exhaustive.
  1. a) Compounds comprising monoglycidyl ether, as in 9A lists
  2. b) Compounds comprising diglycidyl ether, as in 9B listed.
  3. c) Compounds comprising tri or tertraglycidyl ether, as in 9C listed.
  4. d) compounds comprising substituted PSS- (3-glycidyl) propoxy-heptaisobutyl or cyclosiloxanes, as in 9D listed.
  5. e) Compounds comprising polyglycidyl ether, as in 9E listed.

Darüber hinaus können bei den vorgenannten beispielhaften Verbindungen die Glycidylether jeweils auch durch Oxetan-Einheiten substituiert werden.In addition, the glycidyl ethers in each of the aforementioned exemplary compounds can also be substituted by oxetane units.

Erfindungsgemäß wird ein einfaches, schnelles und zuverlässiges Herstellungsverfahren von Polymerelektrolyten aus heterozyklischen Monomeren oder Oligomeren auf Epoxidbasis mittels einer thermisch induzierten kationischen ringöffnenden Polymerisationen (CROP) vorgeschlagen, welches im Zusammenspiel mit der Synergie aus wenigstens einem Lithiumsalz oder einer Mischung von Lithiumsalzen, eine mechanisch stabile, stehende und ionenleitende Membran erzeugt.According to the invention, a simple, fast and reliable production process for polymer electrolytes from heterocyclic monomers or oligomers based on epoxy is carried out thermally induced cationic ring-opening polymerizations (CROP) is proposed which, in conjunction with the synergy of at least one lithium salt or a mixture of lithium salts, produces a mechanically stable, standing and ion-conducting membrane.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet im Gegensatz zu den bislang bekannten CROP-Verfahren, die entweder lösemittelbasiert und/oder zeitaufwendig sind, vorteilhaft keinerlei Lösungsmittel und keine externen Katalysatoren bzw. Initiatoren.In contrast to the previously known CROP processes, which are either solvent-based and / or time-consuming, the process according to the invention advantageously uses no solvents and no external catalysts or initiators.

Die thermische Induzierung für die ringöffnenden Polymerisationen (CROP) kann dazu beispielsweise mittels eines Ofens, eines Heizers oder aber auch über eine Infrarotquelle erfolgen.For this purpose, the thermal induction for the ring-opening polymerizations (CROP) can take place, for example, by means of an oven, a heater or else via an infrared source.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können entweder eine Klasse von Monomeren oder Dimeren aber auch eine Mischung von unterschiedlichen Monomeren oder Oligomeren eingesetzt werden, wodurch im ersten Fall eine vernetzte Homopolymerarchitektur, im zweiten Fall eine vernetzte Copolymerarchitektur für die polymere Festkörperelektrolytmembran erzielt wird.Either a class of monomers or dimers or a mixture of different monomers or oligomers can be used for the process according to the invention, as a result of which a crosslinked homopolymer architecture is achieved in the first case and a crosslinked copolymer architecture for the polymeric solid electrolyte membrane in the second case.

Die kationische Ringöffnungspolymerisation kann vorzugsweise bei variablen Temperaturen zwischen 20 °C und 120 °C durchgeführt werden. Vorteilhaft findet die Ringöffnungspolymerisation zwischen 25 °C und 100 °C statt, insbesondere zwischen 30 °C und 80 °C.The cationic ring opening polymerization can preferably be carried out at variable temperatures between 20 ° C. and 120 ° C. The ring opening polymerization advantageously takes place between 25 ° C. and 100 ° C., in particular between 30 ° C. and 80 ° C.

Die erfindungsgemäße Polymerisation erfolgt - verglichen mit den bislang bekannten CROP-Verfahren - relativ schnell und kann innerhalb von 10 Minuten bis zu 2 Stunden abgeschlossen werden, vorzugsweise sogar innerhalb von 15 Minuten bis zu 1 Stunde.The polymerization according to the invention takes place relatively quickly - compared to the previously known CROP processes - and can be completed within 10 minutes to 2 hours, preferably even within 15 minutes to 1 hour.

Die Prozessdauer ist dabei abhängig von der gewählten Temperatur, wobei eine erhöhte Temperatur die Polymerisation in der Regel beschleunigt, und von der Lithiumsalzkonzentration bzw. dem gewählten Verhältnis von Lithiumsalz zu Monomer bzw. Oligomer.The duration of the process depends on the selected temperature, an elevated temperature generally accelerating the polymerization, and on the lithium salt concentration or the selected ratio of lithium salt to monomer or oligomer.

Da die geeigneten Lithiumsalze in der Regel sehr unterschiedliche Molmassen aufweisen, wird der Zusatz an Lithiumsalz nicht in Gew.-% sondern vorzugsweise als Verhältnis von Ethylenoxid (aus dem Monomer oder Oligomer) zu Lithium (aus dem Lithiumsalz) als (EO:Li) angegeben. Dieses liegt erfindungsgemäß zwischen 100:1 und 5:1, vorzugsweise zwischen 80:1 und10:1.Since the suitable lithium salts generally have very different molar masses, the addition of lithium salt is not stated in% by weight but preferably as a ratio of ethylene oxide (from the monomer or oligomer) to lithium (from the lithium salt) as (EO: Li) , According to the invention, this is between 100: 1 and 5: 1, preferably between 80: 1 and 10: 1.

Bei Verhältnissen (EO:Li) von 200:1 oder auch 400:1 würde zwar auch eine Polymerisation erfolgen, diese würde aber eine sehr viel längere Umsetzungszeit und deutlich höhere Temperaturen benötigen, als erfindungsgemäß vorgeschlagen werden.At ratios (EO: Li) of 200: 1 or 400: 1, polymerization would also take place, but this would require a much longer reaction time and significantly higher temperatures than are proposed according to the invention.

Der schnelle Polymerisationsprozess findet dabei in Anwesenheit von bestimmten Mengen an wenigstens einem oder mehreren geeigneten Lithiumsalzen statt. Geeignete Lithiumsalze in diesem Sinn sind beispielsweise Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium difluoro(oxalato) borat (LiDFOB), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und Lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), die auf Anionen von Supersäuren basieren.The rapid polymerization process takes place in the presence of certain amounts of at least one or more suitable lithium salts. Suitable lithium salts in this sense are, for example, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), which are based on anions of super acids based.

Die Polymerisationsoptimierung erfolgt dabei unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Polymerisationszeit, Temperatur, Leitfähigkeit und elektrochemische Leistung.The polymerization is optimized taking into account various factors such as polymerization time, temperature, conductivity and electrochemical performance.

Die Menge an geeigneten Lithiumsalzen (einzeln oder als Mischung), die für die vollständige Umwandlung von Monomer zu Polymer benötigt wird, kann für jede Kombination aus Monomer, bzw. Oligomer und Lithiumsalz beispielsweise zuvor von einem Fachmann mit Hilfe der RAMAN-Spektroskopie ermittelt werden. Ebenso kann der Fachmann die Temperatur der entsprechenden Polymerisation mittels DSC-Analyse optimieren.The amount of suitable lithium salts (individually or as a mixture) required for the complete conversion of monomer to polymer can be determined for each combination of monomer, or oligomer and lithium salt, for example beforehand by a person skilled in the art using RAMAN spectroscopy. The person skilled in the art can likewise optimize the temperature of the corresponding polymerization by means of DSC analysis.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird vorgeschlagen, eine Mischung von Lithiumsalzen einzusetzen, die in Folge zu einem verbesserten Vernetzungsgrad führt. Beispielsweise wurde herausgefunden, dass der Vernetzungsgrad besonders hoch ist, wenn LiBF4 in Verbindung mit LiDFOB verwendet wird.In a particularly preferred embodiment of the method, it is proposed to use a mixture of lithium salts, which consequently leads to an improved degree of crosslinking. For example, it has been found that the degree of crosslinking is particularly high when LiBF 4 is used in conjunction with LiDFOB.

Der Vernetzungsgrad ist ein quantitatives Maß zur Charakterisierung von polymeren Netzwerken, der sich aus dem Quotient aus der Molzahl vernetzter Grundbausteine und der Molzahl der insgesamt in diesem makromolekularen Netzwerk vorhandenen Grundbausteine berechnen lässt. Er kann aus dem Gelgehaltstest (unlöslicher Gehalt) berechnet werden.The degree of crosslinking is a quantitative measure for the characterization of polymer networks, which is made up of the quotient of the number of moles of crosslinked basic building blocks and the number of moles in total Macromolecular network can calculate existing building blocks. It can be calculated from the gel content test (insoluble content).

Ein hochvernetztes System sollte zu 100 % aus Gel oder unlöslichen Bestandteilen bestehen. Das bedeutet, dass sich nach dem Erwärmungsprozess ein polymervernetztes Netzwerk bildet, das im Testlösemittel unlöslich ist.A highly cross-linked system should consist of 100% gel or insoluble components. This means that a polymer-crosslinked network is formed after the heating process, which is insoluble in the test solvent.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann vorteilhaft auf Prozessbedingungen abgestimmt werden, indem beispielsweise der Typ und die Menge des eingesetzten Lithiumsalzes oder der eingesetzten Lithiumsalze variiert werden.The production method according to the invention can advantageously be adapted to process conditions, for example by varying the type and the amount of the lithium salt or lithium salts used.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der polymere Festkörperelektrolyt über das erfindungsgemäße Verfahren direkt auf einem Komposit-Elektrodenfilm polymerisiert, beispielsweise auf einer LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC111) Kathode oder einer kohlenstoffbeschichteten LiFePO4-Kathode. Dies bewirkt regelmäßig eine sehr gute Haftung zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode.In a particular embodiment of the invention, the polymeric solid electrolyte is polymerized directly on a composite electrode film using the method according to the invention, for example on a LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC111) cathode or a carbon-coated LiFePO 4 cathode , This regularly results in very good adhesion between the electrolyte and the electrode.

Der erfindungsgemäß hergestellte, vernetzte Polymerelektrolyt (SPE) weist dabei auf Basis der bislang untersuchten Festelektrolyte regelmäßig eine lonenleitfähigkeit zwischen 5.10-6 S cm-1 und 1,2.10-4 S cm-1 bei 30 °C auf. Bei höheren Temperaturen von beispielsweise 70 °C, konnten auch lonenleitfähigkeiten von mehr als 1 S cm-1 erreicht werden.The crosslinked polymer electrolyte (SPE) produced according to the invention regularly has an ionic conductivity between 5.10 -6 S cm -1 and 1.2.10 -4 S cm -1 at 30 ° C. on the basis of the solid electrolytes investigated to date. At higher temperatures of 70 ° C, for example, ionic conductivities of more than 1 S cm -1 could also be achieved.

Ferner zeigen diese Polymerelektrolyte eine niedrige Glasübergangstemperatur von regelmäßig unter -50 °C.Furthermore, these polymer electrolytes show a low glass transition temperature of regularly below -50 ° C.

Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäß hergestellten festen Polymerelektrolyte eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und sehr gute elektrochemische Eigenschaften auf, beispielsweise ein Stabilitätsfenster von über 5,5 V gegen Li/Li+.In addition, the solid polymer electrolytes produced according to the invention have excellent oxidation resistance and very good electrochemical properties, for example a stability window of over 5.5 V against Li / Li + .

Der schnelle Herstellungsprozess kann bei Temperaturen zwischen 20 °C und 120 °C und in einer Zeitspanne von 10 Minuten bis zu 2 Stunden durchgeführt werden. In allen Stufen der Polymer-Elektrolyt-Zubereitung werden keine Lösungsmittel oder externe Katalysatoren eingesetzt.The rapid manufacturing process can be carried out at temperatures between 20 ° C and 120 ° C and in a period of 10 minutes to 2 hours. No solvents or external catalysts are used in all stages of the polymer electrolyte preparation.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen dieser Erfindung der Einsatz des thermisch induzierten CROP-Verfahrens zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten aus heterozyklischen Monomeren oder Oligomeren auf Epoxidbasis weiterentwickelt wurde. Die hierbei erzeugten polymeren Festkörperelektrolyte weisen regelmäßig eine lonenleitfähigkeit von teilweise mehr als 0,1 mS cm-1 bei Raumtemperatur (T = 30 °C) auf. Sie zeigen eine sehr gute Oxidationsstabilität von über 5,5 V gegen Li/Li+. Ferner zeigen sie eine ausgezeichnete Zyklenfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.In summary, it can be said that within the scope of this invention, the use of the thermally induced CROP process for the production of a solid electrolyte from heterocyclic monomers or oligomers based on epoxy was further developed. The polymer solid electrolytes produced in this way regularly have an ionic conductivity of sometimes more than 0.1 mS cm -1 at room temperature (T = 30 ° C.). They show a very good oxidation stability of over 5.5 V against Li / Li + . They also show excellent cycle stability at elevated temperatures.

Die in den Labors erzielten Ergebnisse bestätigen, dass das erfindungsgemäß vorgeschlagene thermisch induzierte lösungsmittelfreie CROP-Verfahren eine industriell hochskalierbare Technik mit einem enormen Potenzial als primäres Werkzeug für die Produktion aller Festkörperelektrolyten darstellt.The results obtained in the laboratories confirm that the thermally induced solvent-free CROP process proposed according to the invention represents an industrially highly scalable technology with enormous potential as the primary tool for the production of all solid-state electrolytes.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von einzelnen Ausführungsbeispielen und einigen Figuren näher und detaillierter erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle beschriebenen und/oder bebilderten Merkmale können sich einzeln oder auch kombiniert in unterschiedlichen Ausführungsformen manifestieren.Furthermore, the invention will be explained in more detail and with reference to individual exemplary embodiments and some figures. The invention is not restricted to the exemplary embodiments disclosed here. All described and / or illustrated features can manifest themselves individually or in combination in different embodiments.

Während die Erfindung anhand von besonderen Ausführungsbeispielen im folgenden Teil der Anmeldung eingehend beschrieben und bebildert wurde, sollen diese Beschreibung und die Figuren dem Fachmann lediglich als Beispiel gelten, ohne dadurch einschränkend zu wirken. Es ist davon auszugehen, dass ein Fachmann im Rahmen seines Fachwissens selbst weitere Änderungen und Modifikationen der nachfolgenden Ansprüche vornehmen würde und könnte, die durch den Schutzbereich der Ansprüche mit abgedeckt sind. Insbesondere sind im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsformen mit jeder Art von Kombinationen der erwähnten Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele mit umfasst.While the invention was described and illustrated in detail in the following part of the application on the basis of special exemplary embodiments, this description and the figures are only to be considered by the person skilled in the art as an example, without being restrictive. It is to be assumed that a person skilled in the art would and could make further changes and modifications to the following claims within the scope of his specialist knowledge, which are also covered by the scope of protection of the claims. In particular, further embodiments are included within the scope of the invention with each type of combination of the mentioned features of individual exemplary embodiments.

Die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Erfindung und ihre jeweiligen Vorteile werden beim Lesen der nachfolgend ausgeführten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren einem entsprechenden Fachmann offenbart. The features of the different embodiments of this invention and their respective advantages will be revealed to a corresponding person skilled in the art when reading the exemplary embodiments set out below in conjunction with the figures.

Herstellung und Charakterisierung erfindungsgemäßer PolymerelektrolyteProduction and characterization of polymer electrolytes according to the invention

Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Materialien von Sigma Aldrich bezogen. Ein bifunktionelles Oligomer Poly(ethylenglykol)diglycidylether (PEGDGE, Mn 500) und verschiedene Lithiumsalze wie Lithium bis(trifluormethan)sulfonimid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) wurden während verschiedener Polymerisationsstufen verwendet. Die Monomere und Oligomere wurden unter Molekularsieben (3Å) getrocknet und die Lithiumsalze vor ihrer Verwendung in verschiedenen Formulierungen im Vakuum getrocknet.Unless otherwise stated, all materials were obtained from Sigma Aldrich. A bifunctional oligomer poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE, Mn 500) and various lithium salts such as lithium bis (trifluoromethane) sulfonimide (LiTFSI), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) and lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB) were used during various polymerization stages. The monomers and oligomers were dried under molecular sieves (3Å) and the lithium salts were dried in vacuo before being used in various formulations.

Die Probenvorbereitung erfolgte vollständig in einem umweltgerechten Trockenraum (100 m2, r. F. < 1 % bei 17 °C). Für die jeweiligen Proben wurde jeweils ein Oligomer, PEGDGE, mit verschiedenen Mengen Lithiumsalz gemischt. PEGDGE liegt bei 25 °C in flüssiger Form vor. Die Mischung, im Folgenden auch Vorläuferlösung genannt, wurde mit einem Dispergierer (IKA T25 digital ULTRA-TURRAX®) gerührt, bis eine klare Lösung erhalten wurde. Die klare Lösung wurde zwischen zwei Mylar-Folien gegossen und 1 Stunde bei 80 °C unter Argonatmosphäre getrocknet.The samples were completely prepared in an environmentally friendly drying room (100 m 2 , RH <1% at 17 ° C). For each sample, an oligomer, PEGDGE, was mixed with different amounts of lithium salt. PEGDGE is in liquid form at 25 ° C. The mixture, hereinafter also called the precursor solution, was stirred with a disperser (IKA T25 digital ULTRA-TURRAX®) until a clear solution was obtained. The clear solution was poured between two Mylar foils and dried for 1 hour at 80 ° C. under an argon atmosphere.

Die genaue Formulierung der Proben ist in Tabelle 1 angegeben. Bei den einzelnen Proben wird beispielsweise das Verhältnis von PEGDGE zu LiBF4 als Verhältnis von Ethylenoxid (EO) zu Lithium (Li) angegeben (EO:Li). Die jeweiligen Mengen für das Oligomer und die Lithiumsalze sind dabei in Gew.-% angegeben.The exact formulation of the samples is given in Table 1. For the individual samples, for example, the ratio of PEGDGE to LiBF4 is given as the ratio of ethylene oxide (EO) to lithium (Li) (EO: Li). The respective amounts for the oligomer and the lithium salts are given in% by weight.

Nach Abschluss der Polymerisation wurden die Membranen direkt in Scheiben mit unterschiedlichen Durchmessern geschnitten und zur weiteren Charakterisierung verwendet.After the polymerization was complete, the membranes were cut directly into disks with different diameters and used for further characterization.

Die Membrandicke ist einstellbar. Sie betrug bei den in den Beispielen verwendeten Membranen jeweils 50 bis 200 µm.The membrane thickness is adjustable. In the membranes used in the examples, it was in each case 50 to 200 μm.

Der Gelgehalt (unlöslicher Anteil) der thermisch vernetzten Polymerelektrolyte wurde wie folgt berechnet: Die Polymerstücke mit einem bekannten Gewicht wurden auf einem dünnen Metallgitterfolie angeordnet und in dieser durch Faltung eingepackt. Die Versiegelung erfolgt mit Büroklammern. Das Gewicht der Metallgitterfolien und der Büroklammer ist bereits bekannt und ändert sich während des Tests nicht. Anschließend wurde das Polymer in der Folie 18 Stunden lang in Acetonitril eingeweicht. Dabei gehen nur die gelösten Polymeranteile aus der Metallgitterfolie verloren. Nach dem Test wird die Folie geöffnet und das restliche Polymer entfernt. Diese wurde 3 Stunden lang bei 60°C getrocknet, um das Polymergewicht nach dem Extraktionsprozess zu erhalten. Die Gewichtsdifferenz wurde ermittelt und der Gelgehalt nach folgender Formel berechnet: Gelanteil [ % ] = ( 1 ( W 0 W e ) /W 0 ) * 100 )

Figure DE102018006111A1_0002
mit W0 = Anfangsgewicht der Polymermembran und We = Nach-Extraktionsgewicht der PolymermembranThe gel content (insoluble fraction) of the thermally crosslinked polymer electrolytes was calculated as follows: The polymer pieces with a known weight were arranged on a thin metal grid film and packed in this by folding. Sealing is done with paper clips. The weight of the metal mesh films and the paper clip is already known and does not change during the test. The polymer in the film was then soaked in acetonitrile for 18 hours. Only the dissolved polymer parts from the metal mesh foil are lost. After the test, the film is opened and the remaining polymer is removed. This was dried at 60 ° C for 3 hours to obtain the polymer weight after the extraction process. The difference in weight was determined and the gel content was calculated using the following formula: gel [ % ] = ( 1 - ( W 0 - W e ) / W 0 ) * 100 )
Figure DE102018006111A1_0002
with W 0 = initial weight of the polymer membrane and W e = post-extraction weight of the polymer membrane

Die Aushärtungstemperatur der Reaktionsmischung und die Glasübergangstemperatur (Tg) des vernetzten Polymerelektrolyten wurden mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) mit einem DSC 2500 (TA-Gerät) bestimmt. Eine Polymerprobe mit bekanntem Gewicht wurde für die DSC-Analyse in einer Aluminiumpfanne (Tzero) hermetisch verschlossen. Die Probenvorbereitung erfolgte in einem trockenen Raum, um die Feuchtigkeitsaufnahme und Kontamination zu minimieren.The curing temperature of the reaction mixture and the glass transition temperature (T g ) of the crosslinked polymer electrolyte were determined by means of differential scanning calorimetry (DSC) with a DSC 2500 (TA device). A polymer sample of known weight was hermetically sealed in an aluminum pan (T zero ) for DSC analysis. Sample preparation was done in a dry room to minimize moisture absorption and contamination.

In einer typischen Messung wurden die Polymerproben von 20 °C auf 120 °C erhitzt, dann auf -150 °C abgekühlt und wieder auf 120 °C erhitzt. Die Aufheiz- und Abkühlungsschritte wurden mit einer Heiz- bzw. Kühlrate von 10 Kmin-1 unter Ar-Fluss durchgeführt.In a typical measurement, the polymer samples were heated from 20 ° C to 120 ° C, then cooled to -150 ° C and heated again to 120 ° C. The heating and cooling steps were carried out with a heating and cooling rate of 10 Kmin -1 under an Ar flow.

Die Polymerisationsdetails, wie beispielsweise die Polymerisationsinitiierungstemperatur (PiT) und die Spitzenpolymerisationstemperatur (PpT), wurden aus dem Erwärmungsschritt zwischen 20 °C und 150 °C ermittelt. Die Glasübergangstemperatur wurde als Mittelwert der Wärmekapazitätsänderung ermittelt, die beim Übergang vom glasartigen in den gummiartigen Zustand während des zweiten Heizschritts zwischen 150 °C und 120 °C auftritt.The polymerization details, such as the polymerization initiation temperature (PiT) and the peak polymerization temperature (PpT), were determined from the heating step between 20 ° C and 150 ° C. The glass transition temperature was determined as the mean value of the change in heat capacity which occurs between 150 ° C and 120 ° C during the transition from the glassy to the rubbery state during the second heating step.

Die Umwandlung der flüssigen Reaktionsmischung in einen festen vernetzten Polymerelektrolyten wurde mittels Raman-Spektroskopie (Bruker, RAM II FT-Raman-Modul Vertex 70 FT-IR-Spektrometer) untersucht. Dabei wurde der Peak bei 911 cm-1 beobachtet, der der Epoxid-Ringverformung des zyklischen Epoxidrings entspricht. Die Peaks bei 911 cm-1 und 1255 cm-1 verschwinden mit fortschreitender Polymerisation. Das vollständige Verschwinden des Peaks deutet auf eine vollständige Umwandlung von Monomer bzw. Oligomer zu Polymer hin. Das Raman-Instrument wurde mit einer Nd:YAG-Laserquelle (1064 nm) ausgestattet. The conversion of the liquid reaction mixture into a solid crosslinked polymer electrolyte was investigated by means of Raman spectroscopy (Bruker, RAM II FT-Raman module Vertex 70 FT-IR spectrometer). The peak at 911 cm -1 was observed, which corresponds to the epoxy ring deformation of the cyclic epoxy ring. The peaks at 911 cm -1 and 1255 cm -1 disappear as the polymerization progresses. The complete disappearance of the peak indicates a complete conversion of monomer or oligomer to polymer. The Raman instrument was equipped with an Nd: YAG laser source (1064 nm).

Die lonenleitfähigkeit von vernetzten Polymerelektrolyten wurde mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) mit einem Autolab (PGSTAT204-FRA32M, Metrohm) Potentiostaten bestimmt. Eine Zwei-Elektroden Batterie vom Typ Knopfzelle (2032) wurde durch Einlegen der Polymerelektrolytmembran zwischen zwei Edelstahl-Blockierelektroden (Fläche 1,54 cm2) zusammengebaut. EIS-Messungen wurden zwischen 0 °C und 70 °C bei Leerlaufpotential (engl. open cell potential, OCP) im Frequenzbereich von 500 kHz bis 1 Hz durchgeführt. Die Knopfzellen wurden jeweils in einem trockenen Raum zusammengebaut und in einer Klimakammer (BINDER MK-53) aufbewahrt. Die Impedanz wurde alle 10 °C gemessen, wobei die Knopfzellen zum Erreichen eines Temperaturgleichgewicht bei jeder Temperatur für 2 Stunden gehalten wurde. Die lonenleitfähigkeit (σ, Scm-1) wurde über die folgende Gleichung berechnet: σ = I * A 1 * Rb 1

Figure DE102018006111A1_0003
wobei I die Schichtdicke der Fläche der Polymerelektrolytprobe, Rb der Volumenwiderstand und A die Fläche der Polymerelektrolytprobe ist.The ionic conductivity of cross-linked polymer electrolytes was determined by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) with an Autolab (PGSTAT204-FRA32M, Metrohm) potentiostat. A two-cell battery of the button cell type (2032) was assembled by inserting the polymer electrolyte membrane between two stainless steel blocking electrodes (area 1.54 cm 2 ). EIS measurements were performed between 0 ° C and 70 ° C at open cell potential (OCP) in the frequency range from 500 kHz to 1 Hz. The button cells were assembled in a dry room and stored in a climatic chamber (BINDER MK-53). Impedance was measured every 10 ° C with the button cells held at each temperature for 2 hours to achieve temperature equilibrium. The ionic conductivity (σ, Scm -1 ) was calculated using the following equation: σ = I * A - 1 * Rb - 1
Figure DE102018006111A1_0003
where I is the layer thickness of the area of the polymer electrolyte sample, Rb is the volume resistance and A is the area of the polymer electrolyte sample.

Die Kompatibilität der polymeren Festkörperelektrolyte (SPEs) an der Lithium-Metall-Grenzfläche wurde durch Beobachtung der Entwicklung der Impedanzspektren von symmetrischen Li/SPE/Li Zellen bei offener Zellspannung (engl. open cell voltage, OCV) bei 60°C ermittelt.The compatibility of the polymer solid electrolytes (SPEs) at the lithium metal interface was determined by observing the development of the impedance spectra of symmetrical Li / SPE / Li cells at open cell voltage (OCV) at 60 ° C.

Die Oxidationsstabilität der polymeren Festkörperelektrolyten wurde mittels linearer Sweep-Voltammetrie (LSV) von drei Elektroden-Testzellen (ECC-Ref, EL-Cell, Deutschland) mit einem VMP3 (Bio-logic, Schweiz) Gerät ermittelt. Als Arbeitselektrode wurde Aluminium oder Edelstahl (engl. stainless steel, SS) und als Gegen- und Bezugselektrode Lithium verwendet. Die Reduktionsstabilität der Polymerelektrolytmembran wurde mittels zyklischer Voltammetrie (engl. cyclic voltammetry, CV) einer 3-Elektroden ECC-Referenzzelle bestimmt, wobei Kupfer als Arbeitselektrode und Lithium als Gegen- und Referenzelektrode verwendet wurde. Bei beiden Messungen wurde eine Abtastrate von 0,1 mVs-1 verwendet. Die LSV-Untersuchungen wurden zwischen OCV und 7 V gegen Li/Li+ durchgeführt, während die CV-Untersuchungen zwischen OCV und -0,5 V gegen Li/Li+ durchgeführt wurden.The oxidation stability of the polymer solid electrolytes was determined by means of linear sweep voltammetry (LSV) from three electrode test cells (ECC-Ref, EL-Cell, Germany) with a VMP3 (Bio-logic, Switzerland) device. Aluminum or stainless steel (SS) was used as the working electrode and lithium as the counter and reference electrode. The reduction stability of the polymer electrolyte membrane was determined by means of cyclic voltammetry (CV) of a 3-electrode ECC reference cell, copper being used as the working electrode and lithium as the counter and reference electrode. A sampling rate of 0.1 mVs -1 was used in both measurements. The LSV tests were carried out between OCV and 7 V against Li / Li + , while the CV tests were carried out between OCV and -0.5 V against Li / Li +.

Herstellung von Elektroden und elektrochemische CharakterisierungManufacture of electrodes and electrochemical characterization

Erfindungsgemäße Lithium-Metall-Knopfzellen vom Typ 2032 wurden im Labormaßstab hergestellt, wobei LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC111) oder mit Kohlenstoff beschichtetes LiFePO4 als Kathode, Lithiummetall als Anode und die vorgenannten polymeren Festkörperelektrolyte als Separator eingesetzt wurden. Eine typische Kathode umfasst 90 Gew.-% aktives Material, 5 Gew.-% Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Bindemittel und 5 Gew.-% Super P® von TIMCAL als leitfähigen Kohlenstoffzusatz. Es wurde eine NMP-basierte Suspension hergestellt, die aus aktivem Material, PVDF und Super P im Verhältnis 90:5:5 besteht, wobei das N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) von Sigma Aldrich und das polyvinlylidene fluoride (PVDF), Solef®, von Solvay bezogen wurde.Type 2032 lithium metal button cells according to the invention were produced on a laboratory scale, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC111) or carbon-coated LiFePO 4 as cathode, lithium metal as anode and the aforementioned polymeric solid electrolytes as Separator were used. A typical cathode comprises 90 wt .-% active material, 5 wt .-% of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder and 5 wt .-% Super P ® from TIMCAL as conductive carbon additive. An NMP-based suspension was prepared, which consists of active material, PVDF and Super P in a ratio of 90: 5: 5, the N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) from Sigma Aldrich and the polyvinlylidenene fluoride (PVDF), Solef®, obtained from Solvay.

Der erhaltene Schlicker wurde dann unter einem Abzug auf eine Aluminiumfolie gegossen und über Nacht bei 60 °C getrocknet. Später wurden die Materialien in Kreisscheiben mit einem Durchmesser von 14 mm geschnitten und bei 120 °C unter Hochvakuum für 12 Stunden getrocknet.The slip obtained was then poured onto an aluminum foil under a hood and dried at 60 ° C. overnight. The materials were later cut into circular disks with a diameter of 14 mm and dried at 120 ° C. under high vacuum for 12 hours.

Die Lithium-Knopfzellen vom Typ 2032 wurden im Trockenraum unter Verwendung der Zellkomponenten präpariert und deren elektrochemische Eigenschaften bei 60 °C während galvanostatischer Entladungszyklen mit konstantem Strom bei unterschiedlichen Stromstärken mit einem MACCOR-Cycler (Serie 4000) untersucht. Die galvanostatischen Lade- und Entladestudien wurden im Bereich von 2,5 - 4 V gegen Li/Li+ für LiFePO4 und im Bereich von 3 - 4,4 V gegen Li/Li+ für LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 von Hunan Shanshan Energy Technology Co. Ltd durchgeführt. Vor den Untersuchungen wurden alle Zellen für 6 Stunden bei 60 °C aufbewahrt.The type 2032 lithium button cells were prepared in the dry room using the cell components and their electrochemical properties were examined at 60 ° C during galvanostatic discharge cycles with constant current at different currents using a MACCOR cycler (series 4000). The galvanostatic charging and discharging studies were carried out in the range of 2.5 - 4 V against Li / Li + for LiFePO 4 and in the range of 3 - 4.4 V against Li / Li + for LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1 / 3 O 2 performed by Hunan Shanshan Energy Technology Co. Ltd. Before the investigations, all cells were kept at 60 ° C. for 6 hours.

Ergebnisse und Diskussionen Results and discussions

Ringöffnungspolymerisationsreaktionen umfassen in der Regel positiv geladene Zwischenprodukte (CROP), welche zur Herstellung einiger wichtiger Industriepolymere, wie beispielsweise Polyacetale, Polyoximethyle, Polytetrahydrofurane, Polysiloxane, Polyethylenimine, Polyglykolide, Polylactide und Polyphosphazene verwendet werden [11].Ring opening polymerization reactions usually include positively charged intermediates (CROP), which are used to produce some important industrial polymers, such as polyacetals, polyoximethyls, polytetrahydrofurans, polysiloxanes, polyethyleneimines, polyglycolides, polylactides and polyphosphazenes [11] .

Bislang wurden Bronsted -Säuren, Lewis-Säuren mit Co-Initiator, Carbenium-Ionen, Photoinitiatoren, Onium-Ionen und kovalente Initiatoren als Initiatoren für eine effektive CROP-Reaktion eingesetzt. Bortrifourid (BF3) mit seinem Vorläufer BF3OEt2 ist eine der am häufigsten verwendeten Lewis-Säuren für CROP. In Systemen mit Alkohol ergeben sich die Möglichkeiten, verschiedene Kettenübertragungsmittel (CTA) wie z. B. organische Einheiten, die funktionelle Gruppen wie Carbonsäuren, Alkohol, Thiol usw. enthalten, hinzuzufügen.So far, Bronsted acids, Lewis acids with co-initiator, carbenium ions, photoinitiators, onium ions and covalent initiators have been used as initiators for an effective CROP reaction. Bortrifourid (BF 3 ) with its precursor BF 3 OEt 2 is one of the most commonly used Lewis acids for CROP. In systems with alcohol, there are opportunities to use various chain transfer agents (CTA) such as. B. add organic units containing functional groups such as carboxylic acids, alcohol, thiol, etc.

Im Rahmen der Erfindung wurde das Lithiumsalz LiBF4 als Lewis-Säure-Generator in Gegenwart von Wasser eingesetzt. Dabei ist anzumerken, dass im Allgemeinen im System auch nach dem Trocknen Wasser als Verunreinigung zwischen 1 ppm und 100 ppm vorhanden ist. Bei der Polymerisation bilden sich im System Hydroxylgruppen. Solche Hydroxylgruppen können weiterhin H+-Ionen abgeben.In the context of the invention, the lithium salt LiBF 4 was used as a Lewis acid generator in the presence of water. It should be noted that water is generally present as an impurity between 1 ppm and 100 ppm even after drying. During the polymerization, hydroxyl groups are formed in the system. Such hydroxyl groups can also give off H + ions.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde darüber hinaus kein zusätzlicher Alkohol als Lösungsmittel oder externe Katalysatoren zugefügt.In the exemplary embodiment described, no additional alcohol was added as a solvent or external catalysts.

Ein Schema der möglichen Initiationsreaktion mit der folgenden Vernetzungsreaktion ist in 1 dargestellt. Nach dem Schema können geringfügige Mengen an Wasser, welches im Vorläufer als Verunreinigung vorhanden ist, oder das Oligomer selbst, das in jeder EO-Wiederholungseinheit saure Protonen trägt, ein Proton abgeben, um die initiierende Spezies H+BF4 zu erzeugen. Sobald diese genügend Energie aufgenommen hat kann sie mit einem Epoxidring reagieren und dann die Polymerisationsreaktion wie in 1 gezeigt fortsetzen. A scheme of the possible initiation reaction with the following crosslinking reaction is in 1 shown. According to the scheme, minor amounts of water present in the precursor as an impurity, or the oligomer itself, which carries acidic protons in each EO repeat unit, can donate a proton to produce the initiating species H + BF4. As soon as it has absorbed enough energy it can react with an epoxy ring and then the polymerization reaction as in 1 continue shown.

Die optimale Polymerisationstemperatur und die erforderliche Salzkonzentration für eine effektive Umwandlung von Monomeren in Polymere konnten jeweils im Vorfeld durch DSC bestimmt. Die Vorläuferlösung wurde durch Variation des Verhältnisses PEGDGE zu LiBF4 hergestellt, wobei LiBF4 jeweils in 2, 5 oder 10 Gew.-% in das flüssige PEGDGE gegeben wurde und einige Minuten lang unter hoher Schergeschwindigkeit gerührt wurde, um einen ausgezeichneten und gut löslichen Vorläufer zu erhalten. Die Vorläuferlösung wurde mittels DSC-Analyse zwischen 20 °C und 150 °C untersucht. Die Polymerisationsexotherme wird dazu aus den Analysekurven der Differential Scanning Calorimmetrie (DSC) berechnet. Sie ergibt sich aus der Fläche unter der Kurve und die von TA-Geräten bereitgestellte Software kann sie automatisch berechnen. Diese wurde zur Berechnung der Polymerisationsinitiierungstemperatur, PiT, und der Peak-Polymerisationstemperatur, PpT, verwendet.The optimal polymerization temperature and the required salt concentration for an effective conversion of monomers into polymers could be determined in advance by DSC. The precursor solution was prepared by varying the ratio of PEGDGE to LiBF 4 , each adding 2, 5 or 10% by weight of LiBF 4 to the liquid PEGDGE and stirring at high shear for a few minutes to give an excellent and readily soluble precursor to obtain. The precursor solution was examined by means of DSC analysis between 20 ° C and 150 ° C. The polymerization exotherm is calculated from the analysis curves of differential scanning calorimetry (DSC). It results from the area under the curve and the software provided by TA devices can calculate it automatically. This was used to calculate the polymerization initiation temperature, PiT, and the peak polymerization temperature, PpT.

2 zeigt die Polymerisationsinitiationstemperatur (PiT) und die Spitzenpolymerisationstemperatur (PpT) für ein Polymer mit einer LiBF4-Salzkonzentration von 2, 5 und 10 Gew.-%. Die Daten stammen aus der DSC-Analyse der jeweiligen Vorläufer zwischen 20°C und 120 °C. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass ein Anstieg der LiBF4-Salzkonzentration von 2 Gew.-% auf 10 Gew.-% (sinkendes EO:Li-Verhältnis) den PiT von 90,8 °C auf 44,8 °C und den PpT von 101,6 °C auf 80 °C reduziert. Dies deutet darauf hin, dass die Menge an Salz eine große Rolle bei der Bestimmung des Polymerisationszustandes spielt. Unter Berücksichtigung der Bedeutung der Polymerisationseintrittstemperatur und der Spitzenpolymerisationstemperatur wurde ein optimaler LiBF4-Salzgehalt für eine schnelle und zuverlässige Umwandlung von 5 Gew.-% ermittelt und die Polymerisationstemperatur mit 80 °C gewählt, während die Polymerisationszeit für 1 Stunde festgelegt wurde. 2 Figure 3 shows the polymerization initiation temperature (PiT) and the peak polymerization temperature (PpT) for a polymer with a LiBF4 salt concentration of 2, 5 and 10% by weight. The data come from the DSC analysis of the respective precursors between 20 ° C and 120 ° C. The results shown show that an increase in the LiBF 4 salt concentration from 2% by weight to 10% by weight (decreasing EO: Li ratio) increased the PiT from 90.8 ° C to 44.8 ° C and the PpT reduced from 101.6 ° C to 80 ° C. This indicates that the amount of salt plays a major role in determining the state of polymerization. Taking into account the importance of the polymerization entry temperature and the peak polymerization temperature, an optimal LiBF 4 salt content was determined for a quick and reliable conversion of 5% by weight and the polymerization temperature was chosen to be 80 ° C., while the polymerization time was set for 1 hour.

In der 2 wird das Verhältnis von Poly(ethylenglykol)diglycidylether (PEGDGE) zu LiBF4 als Verhältnis von Ethylenoxid zu Lithium (EO:Li) angegeben, wobei PEGDGE ein Sauerstoffatom pro Ethylenoxid-Wiederholungseinheit aufweist.In the 2 the ratio of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) to LiBF 4 is given as the ratio of ethylene oxide to lithium (EO: Li), where PEGDGE has one oxygen atom per ethylene oxide repeat unit.

Die Zusammensetzung der so hergestellten Festelektrolyte, die LiBF4 und LiTFSI als geeignete Lithiumsalze, LiDFOB als weiteres Lithiumsalz und PEGDGE als Oligomer enthalten, ist in Tabelle 1 zusammen mit ihren Glasübergangstemperaturwerte (Tg-Werten) und ihren Gelgehalten angegeben. Tabelle 1 Probe PEGDGE LiBF4 LiDFOB LiTFSI EO:LI Gelgehalt [%] Tg [1C] P95 95 5 40 78,7 -55,8 P90A 90 5 5 29 74,4 -57,2 P85A 85 5 10 22 66,5 -54,8 P80A 80 5 15 17 55,1 -52,0 P75A 75 5 20 14 45,8 -51,7 P82C 82 5 2 13 20 61,2 - The composition of the solid electrolytes thus produced, which contain LiBF 4 and LiTFSI as suitable lithium salts, LiDFOB as a further lithium salt and PEGDGE as an oligomer, is given in Table 1 together with their glass transition temperature values (Tg values) and their gel contents. Table 1 sample PEGDGE LiBF 4 LiDFOB LiTFSI EO: LI Gel content [%] T g [1C] P95 95 5 40 78.7 -55.8 P90A 90 5 5 29 74.4 -57.2 P85A 85 5 10 22 66.5 -54.8 P80A 80 5 15 17 55.1 -52.0 P75A 75 5 20 14 45.8 -51.7 P82C 82 5 2 13 20 61.2 -

Die in 3 gezeigten Ramanspektren der polymerisierten Membranen P95 und P90A im Vergleich zum reinen PEGDGE-Oligomer zeigen das Verschwinden des zyklischen Epoxidpeaks bei 911 cm-1 (*) und 1255 cm-1 (#).In the 3 The Raman spectra shown for the polymerized membranes P95 and P90A compared to the pure PEGDGE oligomer show the disappearance of the cyclic epoxy peak at 911 cm -1 (*) and 1255 cm -1 (#).

Die Polymerisationsreaktion führte zu einer freistehenden, transparenten und klebfreien Membran. Die Polymerisationsreaktion wurde durch eine Raman-Spektroskopie-Analyse bestätigt und stellte sicher, dass die gewählte Polymerisationstemperatur und -zeit für eine vollständige Ringöffnung der zyklischen Epoxidreste ausreicht, wie in 3 gezeigt. Die Peaks bei 910 cm-1 (*) und 1255 cm-1 (#) in 3 in willkürlichen Einheiten (engl. arbitrary units, a.u.) dargestellt, waren nach der Polymerisation verschwunden, als die Vorläuferlösung für 1 Stunde bei 80 °C gehalten wurde. Eine vollständige Umwandlung von Monomer zu Polymer wurde in allen Kombinationen von Oligomer- und Lithiumsalzen erreicht.The polymerization reaction resulted in a free-standing, transparent and tack-free membrane. The polymerization reaction was confirmed by Raman spectroscopy analysis and ensured that the chosen polymerization temperature and time were sufficient for complete ring opening of the cyclic epoxy residues, as in 3 shown. The peaks at 910 cm -1 (*) and 1255 cm -1 (#) in 3 in arbitrary units (au), disappeared after the polymerization when the precursor solution was kept at 80 ° C for 1 hour. Complete monomer to polymer conversion was achieved in all combinations of oligomer and lithium salts.

Die Umwandlung des bifunktionellen Oligomers PEGDGE in ein vernetztes dreidimensionales Netzwerk durch die Polymerisationsreaktion wurde durch Messung der unlöslichen Fraktion (Gel-Gehalt) in einem geeigneten Lösungsmittel weiter untersucht. Im vorliegenden Fall wurde Acetonitril (ACN) als Extraktionslösung verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Gelgehaltsstudie ergab, dass die SPE P95 einen unlöslichen Gehalt von 78,7 % aufweist, der durch einen Anstieg des LiTFSI-Gehalts schrittweise reduziert wurde. In allen Fällen lag der unlösliche Anteil jedoch bei allen getesteten Membranen immer über 45%.The conversion of the bifunctional oligomer PEGDGE into a cross-linked three-dimensional network by the polymerization reaction was further investigated by measuring the insoluble fraction (gel content) in a suitable solvent. In the present case, acetonitrile (ACN) was used as the extraction solution. The results are shown in Table 1. The gel content study showed that the SPE P95 had an insoluble content of 78.7%, which was gradually reduced by an increase in the LiTFSI content. In all cases, however, the insoluble fraction was always over 45% for all membranes tested.

Wenn die Salzkonzentration erhöht wird, wird regelmäßig auch die Viskosität erhöht, was wiederum die Mobilität der gesamten Kette verringert, so dass die Ausbreitungsreaktionen langsamer sein können als die des P95-Vorläufers. Obwohl die Raman-Spektren in allen SPEs eine vollständige Ringöffnung der Epoxideinheiten anzeigen, erfolgte die Umwandlung in ein vernetztes Netzwerk aber nicht zu 100 %.As the salt concentration is increased, the viscosity is also increased regularly, which in turn reduces the mobility of the entire chain, so that the propagation reactions can be slower than that of the P95 precursor. Although the Raman spectra in all SPEs indicate complete ring opening of the epoxy units, the conversion to a cross-linked network was not 100%.

Die Polymerisationsreaktionen wurden ebenfalls bei 100 °C durchgeführt, indem die Polymerisationszeit zwischen 15 und 30 Minuten variiert wurde. Besonders erwähnenswert sind die Ergebnisse bei 100 °C für eine Polymerisationszeit von 15 Minuten und 30 Minuten. Die polymere Festkörperelektrolytmembran P80A zeigte bei 100 °C für 15 Minuten einen Gelgehalt von 61,8 %, wobei bei einer Backzeit von 30 Minuten der Gelgehalt auf 64 % für die gleiche Polymermembran erhöht wurde. Obwohl eine höhere Temperatur eine bessere Umwandlung des Oligomers in ein vernetztes Netzwerk bewirkt, wurden in der vorliegenden Studie 80 °C als optimale Temperatur gewählt. Tatsächlich führt eine höhere Polymerisationstemperatur und längere Backzeit zu parasitären Reaktionen wie Kettentransfer[6] und Abbruch der wachsenden Kette, was zu einem geringeren unlöslichen Anteil führt. Es kann auch die Verwendung von niedrig siedenden Monomeren einschränken, wenn die CoPolymerisation in Betracht gezogen wird.The polymerization reactions were also carried out at 100 ° C. by varying the polymerization time between 15 and 30 minutes. The results at 100 ° C for a polymerization time of 15 minutes and 30 minutes are particularly worth mentioning. The polymeric solid-state electrolyte membrane P80A showed a gel content of 61.8% at 100 ° C. for 15 minutes, the gel content being increased to 64% for the same polymer membrane at a baking time of 30 minutes. Although a higher temperature leads to a better conversion of the oligomer into a cross-linked network, 80 ° C was chosen as the optimal temperature in the present study. In fact, a higher polymerization temperature and longer baking times lead to parasitic reactions such as chain transfer [6] and termination of the growing chain, which leads to a lower insoluble content. It can also limit the use of low boiling monomers when co-polymerization is considered.

In einer separaten Studie wurde durch Zugabe einer geringen Menge (2 Gew.-%) LiDFOB in die Polymermatrix die Gesamtpolymerisation verbessert und ein Gelgehalt von 61,2 % erreicht. Dies bestätigte, dass auch im Polymerelektrolyten eine Synergie zwischen den Salzen vorhanden ist, die bei sorgfältiger Auswahl zu einer Leistungssteigerung führt. Als jedoch 5 Gew.-% LiBF4 in der P80A-Formulierung vollständig durch LiDFOB ersetzt wurden, wurde keine Umwandlung erreicht. Ein Minimum von 4 Stunden war notwendig, um eine akzeptable Monomer-Polymer-Umwandlung zu erreichen. Daher scheint es wichtig zu sein, dem Vorläufer ausreichend LiBF4 zuzusetzen, um eine Polymerelektrolytmembran herzustellen.In a separate study, the addition of a small amount (2% by weight) of LiDFOB to the polymer matrix improved the overall polymerization and achieved a gel content of 61.2%. This confirmed that there is also a synergy between the salts in the polymer electrolyte which, if carefully selected, leads to an increase in performance. However, when 5 wt% LiBF4 in the P80A formulation was completely replaced by LiDFOB, no conversion was achieved. A minimum of 4 hours was necessary to achieve acceptable monomer-to-polymer conversion. Therefore, it seems important to add enough LiBF 4 to the precursor to make a polymer electrolyte membrane.

Die Glasübergangstemperatur wurde mittels DSC-Analyse zwischen -150 °C und 120 °C für eine Reihe von polymeren Festkörperelektrolyten (P95 bis P75A) analysiert. Die DSC- Kurven für eine Reihe von vernetzten polymeren Festkörperelektrolyten (P95, P90A, P85A, P80A und P75A), die mit verschiedenen Mengen an LiBF4 und LiTFSI hergestellt wurden, sind in 4 dargestellt.The glass transition temperature was analyzed by DSC analysis between -150 ° C and 120 ° C for a number of polymer solid electrolytes (P95 to P75A). The DSC curves for a series of crosslinked solid polymeric electrolytes (P95, P90A, P85A, P80A and P75A) made with different amounts of LiBF 4 and LiTFSI are shown in 4 shown.

Die entsprechenden Glasübergangstemperaturwerte (Tg-Werte) sind in Tabelle 1 tabellarisch aufgeführt. Die Glasübergangstemperatur wurde als Mittelpunkt der Wärmekapazitätsänderung definiert, die in einer DSC-Spur während des Übergangs vom glasigen in den gummiartigen Zustand beobachtet wurde. Alle Polymere zeigten eine Glasübergangstemperatur deutlich unter -50 °C. Dies bedeutet, dass bei Raumtemperatur alle polymeren Festkörperelektrolyte mindestens 70 °C über ihrer jeweiligen Glasübergangstemperatur liegen, was eine ausreichende Segmentbewegung für die Polymerketten gewährleistet. Die Analysen zeigten jedoch einen Anstieg der Tg-Werte durch Erhöhung des LiTFSI-Salzgehaltes. Dieser Effekt kann durch die Koordination von Lithiumsalz mit EO-Einheiten entstehen, die die Viskosität oder Steifigkeit der Polymerketten erhöhen und damit die Segmentmobilität verringern. Diese eingeschränkte Mobilität mit einem erhöhten LiTFSI-Gehalt spiegelt sich direkt in einem Anstieg der Tg-Werte wider. DSC-Messungen sind ein effektives Mittel zur Berechnung des Kristallinitätsanteils eines Polymers. Im vorliegenden Fall wurden keine Schmelzspitzen während des Heizzyklus zwischen -150 °C und 100 °C beobachtet, was auf die Bildung einer hochvernetzten und vollständig amorphen polymeren Festkörperelektrolytmembran hinweist. The corresponding glass transition temperature values (Tg values) are listed in table 1. The glass transition temperature was defined as the midpoint of the heat capacity change observed in a DSC trace during the transition from the glassy to the rubbery state. All polymers showed a glass transition temperature well below -50 ° C. This means that at room temperature all polymer solid electrolytes are at least 70 ° C above their respective glass transition temperature, which ensures sufficient segment movement for the polymer chains. However, the analyzes showed an increase in Tg values by increasing the LiTFSI salt content. This effect can result from the coordination of lithium salt with EO units, which increase the viscosity or stiffness of the polymer chains and thus reduce segment mobility. This restricted mobility with an increased LiTFSI content is directly reflected in an increase in Tg values. DSC measurements are an effective means of calculating the proportion of crystallinity in a polymer. In the present case, no melting peaks were observed during the heating cycle between -150 ° C and 100 ° C, which indicates the formation of a highly cross-linked and completely amorphous polymeric solid electrolyte membrane.

Die lonenleitfähigkeit der Reihe der vernetzten polymeren Festkörperelektrolyte (P95, P90A, P85A, P80A und P75A) wurde aus den Ergebnissen der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) berechnet. Das Lithiumsalz wird direkt in das flüssige PEGDGE-Oligomer gegeben, um eine Vorläuferlösung zu erhalten. Dieser Vorläufer wird 1 Stunde lang bei 80 °C thermisch polymerisiert, wobei keine zusätzlichen Schritte mit Zusatz von Lösungsmitteln oder niedermolekularen Weichmachern durchgeführt wurden.The ionic conductivity of the series of crosslinked solid polymer electrolytes (P95, P90A, P85A, P80A and P75A) was calculated from the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The lithium salt is added directly to the liquid PEGDGE oligomer to obtain a precursor solution. This precursor is thermally polymerized at 80 ° C. for 1 hour, with no additional steps having been carried out with the addition of solvents or low molecular weight plasticizers.

In 5 ist ein Arrhenius-Diagramm dargestellt, welches die lonenleitfähigkeit über der Temperatur für eine Reihe von Polymerelektrolyten zeigt, die mit PEGDGE als Oligomer und LiBF4, LiDFOB und LiTFSI als Lithiumsalz hergestellt wurden. Darin werden die lonenleitfähigkeiten für einen weiten Temperaturbereich zwischen 0 °C und 70 °C anzeigt.In 5 an Arrhenius diagram is shown which shows the ionic conductivity versus temperature for a number of polymer electrolytes which were produced with PEGDGE as oligomer and LiBF 4 , LiDFOB and LiTFSI as lithium salt. It shows the ionic conductivities for a wide temperature range between 0 ° C and 70 ° C.

Im Allgemeinen verbessert ein Temperaturanstieg die lonenleitfähigkeit. Die höchste Ionenleitfähigkeit wurde für die Polymermembran P85A beobachtet, die bei 30 °C eine Ionenleitfähigkeit von mehr als 0,1 mS cm-1 aufwies. Die gleiche SPE P85A zeigte auch eine lonenleitfähigkeit von 1 mS cm-1 bei 70°C. Diese spezielle Zusammensetzung enthält 10 Gew.-% LiTFSI, 5 Gew.-% LiBF4 und 85 Gew.-% PEGDGE. Eine weitere Erhöhung des LiTFSI-Gehaltes reduzierte die lonenleitfähigkeit. Damit wurde eine optimale lonenleitfähigkeit für eine SPE mit einem EO:Li-Verhältnis von 22:1 erreicht.Generally, an increase in temperature improves ionic conductivity. The highest ion conductivity was observed for the polymer membrane P85A, which had an ion conductivity of more than 0.1 mS cm -1 at 30 ° C. The same SPE P85A also showed an ionic conductivity of 1 mS cm -1 at 70 ° C. This special composition contains 10% by weight of LiTFSI, 5% by weight of LiBF4 and 85% by weight of PEGDGE. A further increase in the LiTFSI content reduced the ion conductivity. An optimal ionic conductivity was achieved for an SPE with an EO: Li ratio of 22: 1.

Es wurde beobachtet, dass ein Anstieg der Lithiumsalzkonzentration zunächst die lonenleitfähigkeit erhöht, was indirekt darauf hindeutet, dass ein niedrigeres EO:Li-Verhältnis für eine höhere Li+-lonenmobilität vorteilhaft ist. Als das EO:Li-Verhältnis von 40:1 auf 22:1 variiert wurde, wurde insofern eine verbesserte lonenleitfähigkeit ermittelt. Eine weitere Erhöhung der Salzkonzentration, d. h. eine Reduktion des EO-Li Verhältnisses von 22:1 auf 14:1 reduzierte allerdings die lonenleitfähigkeit auf niedrigere Werte. Die erhöhte LiTFSI-Zugabe erhöht die EO-zu-Li+-Ionen-Verhältnis und führt zu einer verringerten Kettenmobilität, wie die erhöhte Glasübergangstemperatur (Tg) in der DSC-Analyse zeigt.It has been observed that an increase in the lithium salt concentration initially increases the ion conductivity, which indirectly indicates that a lower EO: Li ratio is advantageous for a higher Li + ion mobility. When the EO: Li ratio was varied from 40: 1 to 22: 1, an improved ionic conductivity was determined. However, a further increase in the salt concentration, ie a reduction in the EO-Li ratio from 22: 1 to 14: 1, reduced the ionic conductivity to lower values. The increased LiTFSI addition increases the EO to Li + ion ratio and leads to reduced chain mobility, as the increased glass transition temperature (Tg) shows in the DSC analysis.

Die Oxidationsstabilität der polymeren Festkörperelektrolyte, die mit verschiedenen Mengen an LiTFSI und LiBF4 hergestellt wurden, wurde durch LSV-Untersuchungen gegen Aluminium-Arbeitselektroden bei 60 °C analysiert. Die Ergebnisse sind in 6 A) dargestellt. Der anfängliche anodische Sweep in Richtung höherer Potentialwerte, der Beginn eines Strompeaks ist in der Regel mit der Zersetzung (Oxidation) des Elektrolyten verbunden. Im vorliegenden Fall wurde der Grenzstrom auf 1 µA cm-2 eingestellt, und die höchste elektrochemische Stabilität wurde durch die P95-Membran erreicht, bis zu 7 V vs Li/Li+.The oxidation stability of the polymer solid electrolytes, which were produced with different amounts of LiTFSI and LiBF4, was analyzed by LSV investigations against aluminum working electrodes at 60 ° C. The results are in 6 A) shown. The initial anodic sweep towards higher potential values, the start of a current peak is usually associated with the decomposition (oxidation) of the electrolyte. In the present case, the limit current was set to 1 µA cm -2 , and the highest electrochemical stability was achieved through the P95 membrane, up to 7 V vs Li / Li +.

Eine Erhöhung der LiTFSI-Salzkonzentration reduzierte die Oxidationsstabilität. Der niedrigste Wert wurde für P80A erreicht. Selbst bei P80A zeigte die Membran eine Oxidationsstabilität über 5,5 V gegen Li/Li+. Betrachtet man die oxidative Stabilität als Parameter für die Auswahl für eine Membran mit erhöhter Stabilität, so ist 5,5 V ein wichtiger Wert. Die höchsten Werte werden durch das Vorhandensein von LiBF4-Salz erreicht, welches das Aluminium durch Bildung von AlF3 passiviert, was wiederum die Zersetzung der Polymermembranen bis zu 5,5 V reduziert. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine erhöhte Menge an LiTFSI immer die oxidative Stabilität der Membran reduziert. Die Oxidationsstabilität wurde auch gegenüber Edelstahl als Arbeitselektrode gemessen und ähnliche Werte beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die vorbereiteten polymeren Festkörperelektrolyten sehr stabil gegenüber höheren Potenzialen sind. In allen untersuchten Fällen wurden ordentliche und saubere Linien zwischen 3,8 und 4,2 V gegen Li/Li+ ermittelt. Dies bedeutet, dass die hier hergestellten polymeren Festkörperelektrolyte hochrein sind und keine Verunreinigungen oder Feuchtigkeit im System vorhanden sind.Increasing the LiTFSI salt concentration reduced the oxidation stability. The lowest value was reached for P80A. Even with P80A, the membrane showed an oxidation stability above 5.5 V against Li / Li + . If one considers the oxidative stability as a parameter for the selection for a membrane with increased stability, then 5.5 V is an important value. The highest values are achieved by the presence of LiBF 4 salt, which passivates the aluminum by forming AlF 3 , which in turn reduces the decomposition of the polymer membranes up to 5.5 V. However, it is important to note that an increased amount of LiTFSI always reduces the oxidative stability of the membrane. The oxidation stability was also measured with stainless steel as the working electrode and similar values were observed. This indicates that the prepared solid polymer electrolytes are very stable towards higher potentials. In all cases examined, neat and clean lines between 3.8 and 4.2 V against Li / Li + were determined. This means that the polymeric solid electrolytes produced here are extremely pure and there are no impurities or moisture in the system.

Zur Beurteilung der Reduktionsstabilität der polymeren Festkörperelektrolyte, die mit verschiedenen Mengen an LiTFSI und LiBF4 hergestellt wurden, wurden zyklische Voltammetrie-Untersuchungen bei 60 °C durchgeführt. In allen Fällen wurde eine klare und gut definierte Lithiumplattierung/-abstreifreaktion über einer Cu-Arbeitselektrode beobachtet, wie in 6 dargestellt. Nur ein irreversibler Peak wurde bei 2,2 V gegen Li/Li+ beobachtet, was die Reduktion des an der Cu-Folienoberfläche vorhandenen CuO auf Cu2O anzeigt. Eine Erhöhung des LiTFSI-Gehaltes verbessert die Gesamtladung, die während des Galvanisierens abgeschieden wurde, und den entsprechenden Strom für das Strippen. Dies hängt mit der verbesserten lonenleitfähigkeit der SPEs zusammen. Cyclic voltammetry tests were carried out at 60 ° C to assess the reduction stability of the polymer solid electrolytes, which were produced with different amounts of LiTFSI and LiBF4. In all cases, a clear and well-defined lithium plating / stripping reaction was observed over a Cu working electrode, as in 6 shown. Only an irreversible peak was observed at 2.2 V against Li / Li +, which indicates the reduction of the CuO present on the Cu foil surface to Cu2O. Increasing the LiTFSI content improves the total charge deposited during plating and the corresponding current for stripping. This is related to the improved ionic conductivity of the SPEs.

In der 7 sind die Ergebnisse einer Konstantstrom-Lade-/Entladungsprüfung einer erfindungsgemäßen Festkörperzelle aus LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 / P80A / Li bei 60 °C dargestellt. In der oberen 7A) sind die spezifischen Kapazitäten bei verschiedenen Stromstärken (0,05 C - 1 C) in Bezug auf die Anzahl der Zyklen dargestellt. Die untere 7B) zeigt die Kurven: Potential gegen spezifische Kapazitätsprofile ebenfalls bei 0,05 C bis 1 C.In the 7 the results of a constant current charge / discharge test of a solid-state cell according to the invention made of LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 / P80A / Li at 60 ° C. are shown. In the top 7A) the specific capacities at different currents (0.05 C - 1 C) are shown in relation to the number of cycles. The lower one 7B) shows the curves: potential against specific capacity profiles also at 0.05 C to 1 C.

Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Erfindung eine Reihe von festen Polymerelektrolyten hergestellt, die eine niedrige Glasübergangstemperatur, eine akzeptable lonenleitfähigkeit und ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster aufweisen. Das sind ermutigende Eigenschaften für einen hochvernetzten Polymerelektrolyten.In summary, a number of solid polymer electrolytes were produced within the scope of this invention, which have a low glass transition temperature, an acceptable ionic conductivity and a wide electrochemical stability window. These are encouraging properties for a highly cross-linked polymer electrolyte.

Allerdings ist eine Validierung im Hinblick auf die Galvanostatik in Richtung verschiedener Kathodenmaterialien notwendig. In diesem Zusammenhang wurden Lithium-Knopfzellen vom Typ 2032 im Labormaßstab aus einer LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2-Verbundfolie als Kathode, Lithiummetall als Anode und eine P80A umfassende polymere Festkörperelektrolytmembrane als Separator zusammengesetzt. Zunächst wurde der polymere Festkörperelektrolyt P80A zwischen Lithium-Metall-Anode und NMC111-basierter Verbundkathode eingelegt, um die Leistung des Elektrolyten in der realen Batteriekonfiguration bei einer erhöhten Temperatur von 60 °C zu bewerten. Das elektrochemische Verhalten wurde im Hinblick auf galvanostatische Zyklen bei verschiedenen Stromstärken von 0,05 C bis 1 C untersucht. Es konnte eine reversible Lithium-Einfügung bzw. Wiedereinfügung von Li+ -Ionen in die und aus der NMC111-Elektrode zwischen 3 V und 4,4 V gegen Li/Li+ beobachtet werden. Dieses Potentialfenster soll eine spezifische Kapazität von 180 mA h g-1 liefern. Eine aktive Massenbelastung von 2,5 mgcm-2 war in jeder 14 mm Kathodenscheibe vorhanden.However, a validation with regard to the galvanostatic in the direction of different cathode materials is necessary. In this context, lithium button cells of type 2032 were assembled on a laboratory scale from a LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 composite film as cathode, lithium metal as anode and a polymeric solid electrolyte membrane comprising P80A as a separator. First, the P80A solid polymer electrolyte was inserted between the lithium metal anode and the NMC111-based composite cathode in order to evaluate the performance of the electrolyte in the real battery configuration at an elevated temperature of 60 ° C. The electrochemical behavior was investigated with regard to galvanostatic cycles at different currents from 0.05 C to 1 C. A reversible lithium insertion or reinsertion of Li + ions into and from the NMC111 electrode between 3 V and 4.4 V against Li / Li + was observed. This potential window should deliver a specific capacity of 180 mA hg -1 . An active mass load of 2.5 mgcm -2 was present in each 14 mm cathode disc.

Die 7A zeigt die spezifische Kapazität gegen die Zyklenzahl bei unterschiedlichen Stromstärken. Die Zelle mit 0,05 C lieferte eine erste spezifische Entladungskapazität von 169,4 mA h g-1 mit einem Coulombschen Wirkungsgrad des 1. Zyklus von 90,6 %. Eine erhöhte Stromstärke reduzierte die spezifische Kapazität, wobei die Zelle eine spezifische Kapazität von 111,6 mA h g-1 bei 0,2 C lieferte. Die Zelle zeigte reproduzierbare Potentialprofile bei verschiedenen Stromstärken, wie in 7B dargestellt. Die Schnellladefähigkeit und die Kapazitätserhaltung sind zufriedenstellend. Selbst nach langandauernden 35 Zyklen lieferte die Zelle bei 0,1C eine spezifische Kapazität von 106,8 mA h g-1, was einem Rückgang von weniger als 35 % gegenüber dem Ausgangswert bei 0,05 C entspricht. Dennoch ist dies eines der ersten Beispiele, bei dem eine LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2-basierte Kathode bei 60 °C mit einer hochvernetzten, vollständig-EO-basierten polymeren Festkörperelektrolytmembran zyklisiert wurde.The 7A shows the specific capacity against the number of cycles at different currents. The cell with 0.05 C delivered a first specific discharge capacity of 169.4 mA hg -1 with a Coulomb efficiency of the 1st cycle of 90.6%. An increased current reduced the specific capacity, the cell delivering a specific capacity of 111.6 mA hg -1 at 0.2 C. The cell showed reproducible potential profiles at different currents, as in 7B shown. The quick charge capability and capacity maintenance are satisfactory. Even after 35 long cycles, the cell delivered a specific capacity of 106.8 mA hg -1 at 0.1C, which corresponds to a decrease of less than 35% compared to the initial value at 0.05C. Nevertheless, this is one of the first examples in which a LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 -based cathode was cycled at 60 ° C. with a highly cross-linked, fully EO-based polymer solid electrolyte membrane.

In der 8 sind die Ergebnisse einer Konstantstrom-Lade-/Entladungsprüfung einer weiteren erfindungsgemäßen Festkörperzelle aus LiFePO4/P82C/Li bei 60 °C dargestellt. In der oberen 8A) sind die spezifischen Kapazitäten bei verschiedenen Stromstärken (0,05 C - 1 C) in Bezug auf die Anzahl der Zyklen dargestellt. Die untere 8B) zeigt die Kurven: Potential gegen spezifische Kapazitätsprofile zwischen 0,05 C und 1 C.In the 8th the results of a constant current charge / discharge test of a further solid-state cell according to the invention made of LiFePO 4 / P82C / Li at 60 ° C. are shown. In the top 8A) the specific capacities at different currents (0.05 C - 1 C) are shown in relation to the number of cycles. The lower one 8B) shows the curves: potential against specific capacity profiles between 0.05 C and 1 C.

Die Testzellen LiFePO4 / P82C / Li wurden bei 60 °C mit unterschiedlichen Stromstärken von 0,05 C bis 1 C gezykelt. Der Konstantstrom-Entladungstest wurde zwischen 2,5 V und 4 V gegen Li/Li+ durchgeführt und es wurde eine ausgezeichnete Coulombsche Effizienz und spezifische Kapazität erreicht. Die Zelle lieferte im ersten Zyklus eine Entladekapazität von 160,6 mA h g-1 bei 0,05 C mit einem Coulombschen Wirkungsgrad von 98,3 %. In den folgenden Zyklen wurde ein Coulombscher Wirkungsgrad bis zu 99,8 % erreicht. Die Zelle lieferte eine bemerkenswert hohe Leistung bei hohen Stromstärken und erhöhten Temperaturen. Zusätzlich wurde die LFP-basierte Festkörperzelle auch bei 40 °C getestet, wobei die Zelle eine spezifische Kapazität von 155 mA h g-1 bei 0,05 C Stromaufnahme lieferte. Die vorläufigen Ergebnisse in dieser Hinsicht sind ermutigend. Sie bestätigen, dass der erfindungsgemäße polymere Festkörperelektrolyt auch gegenüber Lithiummetall stabil ist und die Limitierung durch die Kinetik gering ausfällt.The test cells LiFePO 4 / P82C / Li were cycled at 60 ° C with different currents from 0.05 C to 1 C. The constant current discharge test was performed between 2.5 V and 4 V against Li / Li + and excellent Coulomb efficiency and specific capacity were achieved. In the first cycle, the cell delivered a discharge capacity of 160.6 mA hg -1 at 0.05 C with a Coulomb efficiency of 98.3%. A Coulomb efficiency of up to 99.8% was achieved in the following cycles. The cell delivered remarkably high performance at high currents and elevated temperatures. In addition, the LFP-based solid-state cell was also tested at 40 ° C, the cell delivering a specific capacity of 155 mA hg -1 at 0.05 C current consumption. The preliminary results in this regard are encouraging. They confirm that the polymeric solid electrolyte according to the invention is also stable with respect to lithium metal and that the limitation due to the kinetics is low.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen dieser Erfindung eine modifizierte thermisch induzierte kationische Ringöffnungspolymerisation (CROP) effektiv für die Synthese eines Festkörperelektrolyten eingesetzt wurde. In allen Phasen des Polymerisationsprozesses werden keine Lösungsmittel verwendet. Obwohl die bislang herausgefundene optimale Polymerisationstemperatur 80 °C beträgt und die Zeit bis zur vollständigen Epoxidringöffnung 1 h beträgt, sind ähnliche Polymerisationen auch bei 100 °C in 15 oder 30 Minuten möglich. Die hier vorgeschlagene Polymerisationsreaktion ist regelmäßig schnell und einfach. Erfindungsgemäß sind keine Lösungsmittel oder Additive in allen Phasen des Polymerisationsprozesses weder erforderlich noch vorgesehen. In summary, it can be said that in the context of this invention, a modified thermally induced cationic ring opening polymerization (CROP) was used effectively for the synthesis of a solid electrolyte. No solvents are used in all phases of the polymerization process. Although the optimal polymerization temperature found so far is 80 ° C. and the time until the epoxy ring has completely opened is 1 hour, similar polymerizations are also possible at 100 ° C. in 15 or 30 minutes. The polymerization reaction proposed here is regularly quick and easy. According to the invention, no solvents or additives are neither required nor provided in all phases of the polymerization process.

Die erfindungsgemäß hergestellten polymeren Festkörperelektrolyte (SPE) zeigten regelmäßig eine niedrige Glasübergangstemperatur, eine gute lonenleitfähigkeit (von teilweise > 0,1 mS cm-1) bei Umgebungsbedingungen (30 °C) und ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster (> 5,5 V gegen Li/Li+).The polymeric solid-state electrolytes (SPE) produced according to the invention regularly showed a low glass transition temperature, good ionic conductivity (in some cases> 0.1 mS cm -1 ) at ambient conditions (30 ° C.) and a broad electrochemical stability window (> 5.5 V against Li / Li + ).

Die bisherigen Ergebnisse der erfindungsgemäß hergestellten polymeren Festkörperelektrolyte sind erfolgversprechend, insbesondere die Zyklusleistung gegenüber LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2- und LiFePO4-Elektroden in Lithiummetallausführung.The results so far of the polymeric solid electrolytes produced according to the invention are promising, in particular the cycle performance compared to LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 and LiFePO 4 electrodes in lithium metal design.

Eine auf NMC111 basierende Zelle lieferte eine spezifische Kapazität von 169 mA h g-1 bei einer Stromstärke von 0,05 C.A cell based on NMC111 delivered a specific capacity of 169 mA hg -1 at a current of 0.05 C.

Die erfindungsgemäße Zelle mit LiFePO4 als Kathode lieferte ebenfalls eine ausgezeichnete spezifische Kapazität und Coulombsche Effizienz. Die Zelle lieferte eine spezifische Kapazität von 160,2 mA h g-1 bei 0,05 C und 102,3 mA h g-1 bei 1 C, wobei der Coulombsche Wirkungsgrad nach dem ersten Zyklus Werte von über 99,8 % erreichte.The cell according to the invention with LiFePO 4 as cathode also provided an excellent specific capacity and Coulomb efficiency. The cell delivered a specific capacity of 160.2 mA hg -1 at 0.05 C and 102.3 mA hg -1 at 1 C, with Coulomb's efficiency reaching over 99.8% after the first cycle.

Interessanterweise lieferte eine LiFePO4- (LFP-) basierte Festkörperzelle eine spezifische Kapazität von 155 mAhg-1, wenn sie bei 40 °C mit einer aktuellen Stromstärke von 0,05 C betrieben wurde. Damit sind die hier vorgestellten, erfindungsgemäß im CROP-Verfahren hergestellten polymeren Festkörperelektrolyte (SPE) ein wichtiger Kandidat für die Entwicklung einer vollwertigen Lithium-Metall-Batterie.Interestingly, a LiFePO 4 - (LFP-) based solid state cell provided a specific capacity of 155 mAhg -1 when operated at 40 ° C with a current of 0.05 C. The polymer solid electrolytes (SPE) produced here according to the invention and produced using the CROP process are therefore an important candidate for the development of a fully-fledged lithium metal battery.

In dieser Anmeldung zitierte Literatur:

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten durch eine kationische Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion einer Vorläuferlösung, die wenigstens ein Lithiumsalz sowie wenigstens ein flüssiges heterozyklisches Monomer oder wenigstens ein flüssiges heterozyklisches Oligomer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion in Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt wird.A process for producing a solid polymer electrolyte by a cationic ring opening and polymerization reaction of a precursor solution which comprises at least one lithium salt and at least one liquid heterocyclic monomer or at least one liquid heterocyclic oligomer, characterized in that the ring opening and polymerization reaction is carried out in the absence of a solvent. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion bei Temperaturen zwischen 20 °C und 120 °C, vorteilhaft zwischen 60 °C und 85 °C durchgeführt wird.Procedure according to Claim 1 , in which the ring opening and polymerization reaction is carried out at temperatures between 20 ° C and 120 ° C, advantageously between 60 ° C and 85 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion in einem Zeitraum zwischen 10 Minuten und 2 Stunden, vorteilhaft zwischen 15 Minuten und 1 Stunde durchgeführt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 2 , in which the ring opening and polymerization reaction is carried out in a period between 10 minutes and 2 hours, advantageously between 15 minutes and 1 hour. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Vorläuferlösung zur Initiierung der Ringöffnungs- und Polymerisierungsreaktion wenigstens ein Lithiumsalz aus der Gruppe Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium difluoro(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) oder eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Lithiumsalze umfasst.Procedure according to one of the Claims 1 to 3 , in which the precursor solution for initiating the ring opening and polymerization reaction at least one lithium salt from the group lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (fluorosulfonyl ) imide (LiFSI) or a mixture of at least two of these lithium salts. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vorläuferlösung ein flüssiges Monomer oder Oligomer auf Epoxidbasis umfasst.Procedure according to one of the Claims 1 to 4 in which the precursor solution comprises a liquid monomer or oligomer based on epoxy. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 5, bei dem die Vorläuferlösung Poly(ethylenglykol)diglycidylether (PEGDGE) als flüssiges Oligomer umfasst.Procedure according to the previous Claim 5 , wherein the precursor solution comprises poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) as a liquid oligomer. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Vorläuferlösung das flüssige Monomer oder Oligomer und das Lithiumsalz in einem Verhältnis von Ethylenoxid zu Lithium (EO:LI) von 100: 1 bis 5:1, vorzugsweise in einem Verhältnis von 50:1 und 10:1 umfasst.Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , wherein the precursor solution comprises the liquid monomer or oligomer and the lithium salt in a ratio of ethylene oxide to lithium (EO: LI) of 100: 1 to 5: 1, preferably in a ratio of 50: 1 and 10: 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Vorläuferlösung Lithiumsalz in einer Konzentration im Bereich von 2 - 30 Gew.-%, vorteilhaft von 5 bis 25 Gew.-% bezogen auf den polymeren Festkörperelektrolyten aufweistProcedure according to one of the Claims 1 to 7 , in which the precursor solution has lithium salt in a concentration in the range from 2 to 30% by weight, advantageously from 5 to 25% by weight, based on the polymeric solid electrolyte Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Herstellung eines polymeren Festkörperelektrolyten direkt auf einer Elektrode stattfindet.Procedure according to one of the Claims 1 to 8th , in which the production of a polymeric solid electrolyte takes place directly on an electrode. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Vorläuferlösung umfassend Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), und Poly (ethylenglykol)diglycidylether (PEGDGE) als flüssiges Oligomer mit einem Verhältnis von Ethylenoxid zu Lithium (EO:LI) von 40: 1 bis 20:1, eingesetzt wird.Procedure according to Claim 1 , in which a precursor solution comprising lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) and poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) is used as the liquid oligomer with a ratio of ethylene oxide to lithium (EO: LI) of 40: 1 to 20: 1. Polymerer Festkörperelektrolyt, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der polymere Festkörperelektrolyt eine niedrige Glasübergangstemperatur von weniger als - 50 °C aufweist.Solid polymer electrolyte, producible by a method according to one of the Claims 1 to 10 , wherein the polymeric solid electrolyte has a low glass transition temperature of less than - 50 ° C. Polymerer Festkörperelektrolyt, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der polymere Festkörperelektrolyt eine lonenleitfähigkeit zwischen 5-10-6 S cm-1 und 1,2-10-4 S cm-1 bei 30 °C sowie ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster von mehr als 5 V gegen Li/Li+ aufweist.Solid polymer electrolyte, producible by a method according to one of the Claims 1 to 10 , the polymeric solid electrolyte having an ionic conductivity between 5-10 -6 S cm -1 and 1.2-10 -4 S cm -1 at 30 ° C and a broad electrochemical stability window of more than 5 V against Li / Li + . Polymerer Festkörperelektrolyt nach Anspruch 11 oder 12, umfassend wenigstens ein Lithiumsalz aus der Gruppe Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithium difluoro(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI),Lithium bis(trifluoromethan(Sulfonimide (LiTFSI) oder eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Lithiumsalze in einer Konzentration im Bereich von 2 - 30 Gew.-%, vorteilhaft von 5 bis 25 Gew.-% bezogen auf den polymeren Festkörperelektrolyten.Solid polymer electrolyte after Claim 11 or 12 comprising at least one lithium salt from the group lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium difluoro (oxalato) borate (LiDFOB), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI), lithium bis (trifluoromethane (Sulfonimide (LiTFSI) or a mixture of at least two of these lithium salts in a concentration in the range from 2 to 30% by weight, advantageously from 5 to 25% by weight, based on the polymeric solid electrolyte. Polymerer Festkörperelektrolyt nach Anspruch 11 bis 13, umfassend - 95 Gew.-% PEGDGE und 5 Gew.-% LiBF4 oder, - 90 Gew.-% PEGDGE, 5 Gew.-% LiBF4 und 5 Gew.-% LiTFSI, oder - 85 Gew.-% PEGDGE, 5 Gew.-% LiBF4 und 10 Gew.-% LiTFSI, oder - 80 Gew.-% PEGDGE, 5 Gew.-% LiBF4 und 15 Gew.-% LiTFSI, oder - 75 Gew.-% PEGDGE, 5 Gew.-% LiBF4 und 20 Gew.-% LiTFSI, oder - 82 Gew.-% PEGDGE, 5 Gew.-% LiBF4,13 Gew.-% LiTFSI und 2 Gew.-% LIDFOB.Solid polymer electrolyte after Claim 11 to 13 comprising - 95% by weight of PEGDGE and 5% by weight of LiBF 4 or, - 90% by weight of PEGDGE, 5% by weight of LiBF 4 and 5% by weight of LiTFSI, or - 85% by weight of PEGDGE , 5% by weight of LiBF 4 and 10% by weight of LiTFSI, or - 80% by weight of PEGDGE, 5% by weight of LiBF 4 and 15% by weight of LiTFSI, or - 75% by weight of PEGDGE, 5% by weight of LiBF 4 and 20% by weight of LiTFSI, or - 82% by weight of PEGDGE, 5% by weight of LiBF 4 , 13% by weight of LiTFSI and 2% by weight % LIDFOB. Elektrochemische Zelle, umfassend eine Kathode, eine Anode sowie einen polymeren Festkörperelektrolyten gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14.Electrochemical cell, comprising a cathode, an anode and a polymeric solid electrolyte according to one of the Claims 11 to 14 , Elektrochemische Zelle, mit einer Kathode umfassend LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 oder LiFePO4 mit einer Anode umfassend Li sowie mit einem polymeren Festkörperelektrolyten gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15.Electrochemical cell, with a cathode comprising LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 or LiFePO 4 with an anode comprising Li and with a polymeric solid electrolyte according to one of the Claims 11 to 15 ,
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