DE102019115887A1 - Akkumulatorelektrolyte umfassend 1,3-Dimethoxypropan und diese verwendende Akkumulatorzellen - Google Patents

Akkumulatorelektrolyte umfassend 1,3-Dimethoxypropan und diese verwendende Akkumulatorzellen Download PDF

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Abstract

Es werden 1,3-Dimethoxypropan (DMP)-haltige Akkumulatorelektrolyte und Lithium-Ionen-Akkumulatoren, die diese verwenden, bereitgestellt. Die Akkumulatoren umfassen einen Elektrolyt, der DMP einschließt, eine Lithiumanode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist, und eine Kathode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist. Die Kathode kann ein Lithium-Metalloxid oder ein Chalkogenmaterial umfassen. Das Lithium-Metalloxid kann LiNiCoMnOoder Lithiumeisenphosphat sein. Das Chalkogenmaterial kann Schwefel und/oder Selen einschließen. Der Elektrolyt kann ein oder mehrere Hilfslösungsmittel einschließlich Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan einschließen. Der Elektrolyt kann ein oder mehrere Lithiumsalze einschließen, einschließlich LiClO, LiAlCl, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF, LiB(CH)LiAsF, LiCFSO, LiN(CFSO)und LiPF.

Description

  • EINLEITUNG
  • Lithium-Ionen-Akkumulatoren beschreiben eine Klasse wiederaufladbarer Batterien, in denen sich Lithiumionen zwischen einer negativen Elektrode (d. h. Anode) und einer positiven Elektrode (d. h. Kathode) bewegen. Flüssige und polymere Elektrolyte können die Bewegung von Lithiumionen zwischen der Anode und der Kathode erleichtern. Lithium-Ionen-Akkumulatoren erfreuen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihrer Fähigkeit, aufeinanderfolgende Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen, einer wachsenden Beliebtheit für Anwendungen im Verteidigungs- und Automobilsektor sowie in der Luft- und Raumfahrt.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Eine Lithiumakkumulatorzelle wird bereitgestellt und weist einen Elektrolyt mit 1,3-Dimethoxypropan, eine in dem Elektrolyt angeordnete Lithiumanode und eine in dem Elektrolyt angeordnete Lithium-Metalloxid-Kathode auf. Der Elektrolyt umfasst ferner ein Hilfslösungsmittel. Das Hilfslösungsmittel umfasst eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan. Der Elektrolyt umfasst ferner ein Lithiumsalz. Das Lithiumsalz umfasst LiN(FSO2)2. Das Lithiumsalz umfasst eines oder mehrere von LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2 und LiPF6. Das Lithium-Metalloxid umfasst LiNixCoyMnzO2. Das Lithium-Metalloxid umfasst Lithiumeisenphosphat. Der Elektrolyt umfasst ferner gelöstes LiN(FSO2)2 und optional ein 1,3-Dioxolan-Hilfslösungsmittel, und das Lithium-Metalloxid umfasst LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2.
  • Eine Lithium-Chalkogen-Akkumulatorzelle wird bereitgestellt und weist einen Elektrolyt mit 1,3-Dimethoxypropan, eine in dem Elektrolyt angeordnete Lithiumanode und eine in dem Elektrolyt angeordnete Chalkogenkathode auf. Der Elektrolyt umfasst ferner ein Hilfslösungsmittel. Das Hilfslösungsmittel umfasst eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan. Der Elektrolyt umfasst ferner ein Lithiumsalz. Das Lithiumsalz umfasst LiN(FSO2)2. Das Lithiumsalz umfasst eines oder mehrere von LiClO4, L1AlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2 und LiPF6. Die Kathode umfasst ein oder mehrere Schwefelmaterialien und/oder ein oder mehrere Selenmaterialien. Die Kathode umfasst ferner ein Bindemittel und einen leitfähigen Füllstoff. Der Elektrolyt umfasst ferner eines oder mehrere von gelöstem LiN(FSO2)2 und gelöstem LiNO3 und optional ein 1,3-Dioxolan-Hilfslösungsmittel, und die Kathode umfasst Schwefel, Kohlenstoff und ein Bindemittel.
  • Ein Elektrolyt für einen Lithium-Ionen-Akkumulator wird bereitgestellt und schließt 1,3-Dimethoxypropan (DMP) ein. Der Elektrolyt kann ferner eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan einschließen.
  • Andere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Ausführungsbeispielen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen offensichtlicher.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht eine Lithiumakkumulatorzelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 2 veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
    • 3A veranschaulicht einen Graph des Kapazitätsabfalls einer 1,2-Dimethoxyethan enthaltenden Akkumulatorzelle über 10 Lade-/Entladezyklen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
    • 3B veranschaulicht einen Graph des Kapazitätsabfalls einer 1,3-Dimethoxypropan enthaltenden Akkumulatorzelle über 10 Lade-/Entladezyklen gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
    • 4A veranschaulicht einen Graph der Ladespannung und Entladespannung eines Akkumulators für 140 Zyklen; und
    • 4B veranschaulicht einen Graph der Kapazität einer Akkumulatorzelle für jeden der 140 Lade-/Entladezyklen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionale Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig einzusetzen. Wie der Durchschnittsfachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen hervorzubringen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
  • Hierin bereitgestellt sind Akkumulatorelektrolyte und Akkumulatoren, die diese verwenden, wobei der Elektrolyt 1,3-Dimethoxypropan (DMP) umfasst. DMP weist eine höhere elektrochemische Stabilität und einen höheren Siedepunkt als herkömmliche Lösungsmittel wie etwa 1,2-Dimethoxyethan (DME) auf und verbessert die Sicherheit der zugehörigen Akkumulatorzellen und -pakete durch Eliminieren oder Verringern des Auftretens von unerwünschter Gasentwicklung und thermischem Durchgehen.
  • 1 veranschaulicht eine Lithiumakkumulatorzelle 10. umfassend eine negative Elektrode (d. h. Anode) 11, eine positive Elektrode (d. h. Kathode) 14, einen funktional zwischen der Anode 11 und der Kathode 14 angeordneten Elektrolyt 17 und einen Separator 18. Anode 11, Kathode 14 und Elektrolyt 17 können in einen Behälter 19 eingekapselt sein, der beispielsweise ein hartes (z. B. metallisches) Gehäuse oder ein weicher (z. B. Polymer-) Beutel sein kann. Anode 11 und Kathode 14 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Separators 18, der ein mikroporöses Polymer oder ein anderes geeignetes Material umfassen kann, das in der Lage ist, Lithiumionen und optional Elektrolyt (d. h. flüssigen Elektrolyt) zu leiten. Der Elektrolyt 17 ist ein flüssiger Elektrolyt, umfassend ein oder mehrere Lithiumsalze gelöst in einem nichtwässrigen Lösungsmittel, umfassend DMP und optional einen oder mehrere Hilfslösungsmitteln, wie unten beschrieben wird. Die Anode 11 schließt allgemein einen Stromabnehmer 12 und ein Lithiuminterkalationsträgermaterial 13 ein, das darauf aufgebracht ist. Die Kathode 14 schließt allgemein einen Stromabnehmer 15 und ein auf Lithium basierendes oder Chalkogen basierendes aktives Material 16 ein, das darauf aufgebracht ist. Beispielsweise kann die Akkumulatorzelle 10 ein aktives Chalkogenmaterial 16 oder ein aktives Lithium-Metalloxid-Material 16 umfassen, wie unten beschrieben wird. Aktives Material 16 kann Lithiumionen beispielsweise auf einem höheren elektrischen Potential speichern als das Interkalationsträgermaterial 13. Die Stromabnehmer 12 und 15, die den beiden Elektroden zugeordnet sind, sind durch eine unterbrechbare externe Schaltung verbunden, die es ermöglicht, dass ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden fließt, um die einhergehende Migration von Lithiumionen elektrisch auszugleichen. Obwohl in 1 der Übersichtlichkeit halber das Trägermaterial 13 und das aktive Material 16 schematisch veranschaulicht sind, können das Trägermaterial 13 und das aktive Material 16 eine exklusive Grenzfläche zwischen der Anode 11 bzw. der Kathode 14 und dem Elektrolyt 17 umfassen.
  • Die Akkumulatorzelle 10 kann in einer beliebigen Anzahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel veranschaulicht 2 ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeugs 1, das ein Akkumulatorpaket 20 und zugehörige Komponenten einschließt. Ein Akkumulatorpaket, wie beispielsweise das Akkumulatorpaket 20, kann eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 10 einschließen. Eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 10 kann parallel geschaltet sein, um eine Gruppe zu bilden, und eine Vielzahl von Gruppen kann zum Beispiel in Reihe geschaltet sein. Ein Fachmann in der Technik wird verstehen, dass unter Verwendung der hierin offenbarten Akkumulatorzellenarchitekturen beliebig viele Akkumulatorzellen-Verbindungskonfigurationen realisierbar sind, und er wird weiter erkennen, dass Fahrzeuganwendungen nicht auf die beschriebene Fahrzeugarchitektur beschränkt sind. Das Akkumulatorpaket 20 kann Energie an einen Antriebsumrichter 2 liefern, der die Gleichstrom (DC)-Akkumulatorspannung in ein Dreiphasenwechselstrom (AC)-Signal umwandelt, das von einem Antriebsmotor 3 zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs 1 verwendet wird. Ein Motor 5 kann verwendet werden, um einen Generator 4 anzutreiben, der wiederum Energie zum Wiederaufladen des Akkumulatorpakets 20 über den Umrichter 2 bereitstellen kann. Externe (z. B. Netz-) Stromversorgung kann ebenfalls verwendet werden, um das Akkumulatorpaket 20 über zusätzliche Schaltungen (nicht gezeigt) wieder aufzuladen. Der Motor 5 kann zum Beispiel einen Benzin- oder Dieselmotor umfassen.
  • Die Akkumulatorzelle 10 arbeitet allgemein, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen Anode 11 und Kathode 14 weitergibt. Die Lithiumionen bewegen sich während des Ladevorgangs von der Kathode 14 zur Anode 11 und während des Entladevorgangs von der Anode 11 zur Kathode 14. Zu Beginn des Entladevorgangs enthält die Anode 11 eine hohe Konzentration an interkalierten Lithiumionen, während die Kathode 14 relativ verarmt ist, und das Herstellen einer geschlossenen externen Schaltung zwischen Anode 11 und Kathode 14 unter solchen Umständen bewirkt, dass interkalierte Lithiumionen aus der Anode 11 extrahiert werden. Die extrahierten Lithiumatome werden in Lithiumionen und Elektronen gespalten, wenn sie einen Interkalationsträger an einer Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche verlassen. Die Lithiumionen werden von dem ionisch leitfähigen Elektrolyt 17 durch die Mikroporen des Separators 18 von der Anode 11 zur Kathode 14 transportiert, während gleichzeitig die Elektronen durch die externe Schaltung von der Anode 11 zur Kathode 14 übertragen werden, um für einen Ausgleich in der gesamten elektrochemischen Zelle zu sorgen. Dieser Elektronenfluss durch die externe Schaltung kann nutzbar gemacht werden und einer Lastvorrichtung zugeführt werden, bis der Gehalt an interkaliertem Lithium in der negativen Elektrode unter ein praktikables Niveau fällt oder der Leistungsbedarf aufhört. Die Pfeile zeigen an, dass Strom aus der Anode 11 fließt und dass Strom in die Kathode 14 fließt, und somit wird die Akkumulatorzelle 10 in einem Zustand des Aufladens gezeigt.
  • Die Akkumulatorzelle 10 kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität wieder aufgeladen werden. Um die Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle zu laden oder wieder mit Energie zu versorgen, ist eine externe Stromquelle (nicht gezeigt) mit der positiven und der negativen Elektrode verbunden, um die Umkehr von elektrochemischen Reaktionen der Akkumulatorentladung voranzutreiben. Das heißt, während des Aufladens extrahiert die externe Stromquelle die in der Kathode 14 vorhandenen Lithiumionen, um Lithiumionen und Elektronen zu erzeugen. Die Lithiumionen werden von der Elektrolytlösung wieder durch den Separator zurückbefördert, und die Elektronen durch die externe Schaltung zurückgetrieben, beides in Richtung der Anode 11. Die Lithiumionen und die Elektronen werden schließlich an der negativen Elektrode wieder vereinigt, wodurch diese für eine zukünftige Akkumulatorzellenentladung wieder mit interkaliertem Lithium aufgefüllt wird.
  • Eine Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle 10 oder ein Akkumulatormodul oder -paket, umfassend eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 10, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, können verwendet werden, um einer zugeordneten Lastvorrichtung reversibel Strom und Energie zuzuführen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können auch in verschiedenen Vorrichtungen der Unterhaltungselektronik (z. B. Laptops, Kameras und Mobiltelefonen/Smartphones), militärischer Elektronik (z. B. Funkgeräte, Minendetektoren und thermische Waffen), in Flugzeugen und Satelliten usw. verwendet werden. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, -module und -pakete können in ein Fahrzeug eingebaut werden, wie zum Beispiel ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), ein batteriebetriebenes elektrisches Fahrzeug (BEV), ein Plug-in-HEV oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite (EREV), um genügend Leistung und Energie zum Betreiben von einem oder mehreren Systemen des Fahrzeugs zu erzeugen. Zum Beispiel können die Akkumulatorzellen, -module und -pakete in Kombination mit einem Benzin- oder Dieselverbrennungsmotor zum Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs (wie etwa in Hybrid-Elektrofahrzeugen) verwendet werden oder sie können allein verwendet werden, um das Fahrzeug voranzutreiben (wie etwa in akkumulatorbetriebenen Fahrzeugen).
  • Zurückkehrend zu 1 leitet der Elektrolyt 17 Lithiumionen zwischen der Anode 11 und der Kathode 14, zum Beispiel während des Aufladens oder Entladens der Akkumulatorzelle 10. Der Elektrolyt 17 umfasst DMP, optional ein oder mehrere Hilfslösungsmittel und ein oder mehrere Lithiumsalze gelöst in dem DMP und optional das eine oder die mehrerenn Hilfslösungsmitteln. Geeignete Hilfslösungsmittel können zyklische Carbonate (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat), azyklische Carbonate (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), aliphatische Carboxylester (Methylformat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan) und Kombinationen davon umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Elektrolyt 17 DMP und eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in organischem Lösungsmittel gelöst werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, schließt LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiN(FSO2)2, LiPF6, und Mischungen davon ein.
  • Das Trägermaterial 13 kann ein beliebiges Lithiumträgermaterial einschließen, das hinreichend einer Lithiumioneninterkalation, -deinterkalation und Legierungsbildung unterzogen werden kann, während es als negativer Anschluss des Lithium-Ionen-Akkumulators 10 fungiert. Das Trägermaterial 13 kann auch ein polymeres Bindemittel einschließen, um das Lithiumträgermaterial strukturell zusammenzuhalten. Beispielsweise kann das Trägermaterial 13 in einer Ausführungsform Graphit vermischt mit einem oder mehreren von Polyvinyldien-Fluorid (PVdF), einem Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethoxylcellulose (CMC) und Styrol, 1,3-Butadienpolymer (SBR) einschließen. Graphit und Kohlenstoffmaterialien werden weit verbreitet zur Bildung der negativen Elektrode verwendet, da sie günstige Lithiumioneninterkalations- und -deinterkalationseigenschaften aufweisen, relativ nicht-reaktiv sind und Lithiumionen in Mengen speichern können, die eine relativ hohe Energiedichte erzeugen. Andere Materialien können ebenfalls verwendet werden, um das Trägermaterial 13 zu bilden, beispielsweise einschließlich Lithiumtitanat, Silizium, Siliziumoxid, Zinn und/oder Zinnoxid. Der Anodenstromabnehmer 12 kann Kupfer, Aluminium, Edelstahl oder jedes andere geeignete elektrisch leitfähige Material einschließen, das dem Fachmann bekannt ist. Der Anodenstromabnehmer 12 kann mit elektrisch gut leitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden, einschließend unter anderem eines oder mehrerer von leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoffnanofasern, Graphen und aus der Dampfphase gezüchteter Carbonfaser (VGCF).
  • Aktives Material 16 kann jedes beliebige auf Lithium basierende Material einschließen, das ausreichend einer Lithiuminterkalation und -deinterkalation unterzogen werden kann, während es als positiver Anschluss der Akkumulatorzelle 10 fungiert. Aktives Material 16 kann auch ein polymeres Bindemittel einschließen, um das auf Lithium basierende aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Das aktive Material 16 kann Lithium-Übergangsmetalloxide (z. B. geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide) oder Chalkogenmaterialien umfassen. Der Kathodenstromabnehmer 15 kann Aluminium oder ein beliebiges anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material einschließen, das dem Fachmann bekannt ist, und er kann in einer Folien- oder Gitterform ausgebildet sein. Der Kathodenstromabnehmer 15 kann mit elektrisch gut leitfähigen Materialien behandelt (z. B. beschichtet) werden, einschließend unter anderem eines oder mehrere von leitfähigem Ruß, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoffhanofasern, Graphen und aus der Dampfphase gezüchteter Carbonfaser (VGCF).
  • Zur Verwendung als aktives Material 16 geeignete Lithium-Übergangsmetalloxide können eines oder mehrere von Spinell-Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4), Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2), ein Nickel-Mangan-Oxid-Spinell (Li(Ni0,5Mn1,5)O2), ein geschichtetes Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (mit einer allgemeinen Formel xLi2MnO3 · (1-x)LiMO2, wobei M aus einem beliebigen Verhältnis von Ni, Mn und/oder Co zusammengesetzt ist) umfassen. Ein spezifisches Beispiel für geschichtetes Nickel-Mangan-Oxid-Spinell ist xLi2MnO3 (1-x)Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2. Andere geeignete auf Lithium basierende aktive Materialien schließen Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2), LiNiO2, Lix+yMn2-yO4 (LMO, 0 < x < 1 und 0 < y <0,1) oder ein Lithium-Eisen-Polyanion-Oxid, wie etwa Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F) ein. Andere auf Lithium basierende aktive Materialien können ebenfalls verwendet werden, wie etwa LiNixM1-xO2 (M ist zusammengesetzt aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Co und/oder Mg), LiNi1-xCo1-yMnx+yO2 oder LiMn1,5-xNi0,5-yMx+yO4 (M ist zusammengesetzt aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Ti, Cr und/oder Mg), stabilisiertes Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LixMn2-yMyO4, wobei M zusammengesetzt ist aus einem beliebigen Verhältnis von Al, Ti, Cr und/oder Mg), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (z. B. LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 oder NCA), aluminium-stabilisiertes Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LixMn2-xAlyO4), Lithium-Vanadium-Oxid (LiV2O5), Li2MSiO4 (M ist zusammengesetzt aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe, und/oder Mn) und ein beliebiges anderes hocheffizientes Nickel-Mangan-Cobalt-Material (HE-NMC, NMC oder LiNiMnCoO2). Mit „beliebiges Verhältnis“ ist gemeint, dass jedes Element in beliebiger Menge vorliegen kann. So könnte M zum Beispiel Al mit oder ohne Co und/oder Mg oder irgendeine andere Kombination der aufgelisteten Elemente sein. In einem anderen Beispiel können Anionensubstitutionen in dem Gitter eines beliebigen Beispiels des auf Lithium-Übergangsmetall basierenden aktiven Materials durchgeführt werden, um die Kristallstruktur zu stabilisieren. Zum Beispiel kann jedes O-Atom durch ein F-Atom substituiert sein.
  • Das auf Chalkogen basierende aktive Material kann zum Beispiel eines oder mehrere von Schwefel und/oder ein oder mehrere Selenmaterialien einschließen. Schwefelmaterialien, die zur Verwendung als aktives Material 16 geeignet sind, können Schwefel-Kohlenstoff-Verbundmaterialien, S8, L12S8, Li2S6, Li2S4, Li2S2, Li2S, SnS2 und Kombinationen hiervon umfassen. Ein weiteres Beispiel für ein auf Schwefel basierendes aktives Material schließt einen Schwefel-Kohlenstoff-Verbundstoff ein.
  • Selenmaterialien, die zur Verwendung als aktives Material 16 geeignet sind, können Selen in Elementform, Li2Se, Selensulfidlegierungen, SeS2, SnSexSy (z. B. SnSe0,5S0,5) und Kombinationen hiervon umfassen. Das auf Chalkogen basierende aktive Material der positiven Elektrode 22' kann mit dem polymeren Bindemittel und dem leitfähigen Füllstoff vermischt werden. Geeignete Bindemittel schließen Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyethylenoxid (PEO), einen Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Butadien-Kautschuk-Carboxymethylcellulose (SBR-CMC), Polyacrylsäure (PAA), vernetztes Polyacrylsäure-Polyethylenimin, Polyimid oder ein beliebiges anderes geeignetes Bindemittel ein, das dem Fachmann bekannt ist. Andere geeignete Bindemittel schließen Polyvinylalkohol (PVA), Natriumalginat oder andere wasserlösliche Bindemittel ein. Das polymere Bindemittel hält das auf Chalkogen basierende aktive Material und den leitfähigen Füllstoff strukturell zusammen. Ein Beispiel für den leitfähigen Füllstoff ist ein Kohlenstoff mit großem Oberflächenbereich, wie beispielsweise Acetylenruß oder Aktivkohle. Der leitfähige Füllstoff gewährleistet eine Elektronenleitung zwischen dem Stromabnehmer 26 auf der positiven Seite und dem auf Chalkogen basierenden aktiven Material. In einem Beispiel können das aktive Material der positiven Elektrode und das polymere Bindemittel mit Kohlenstoff eingekapselt sein. In einem Beispiel liegt das Gewichtsverhältnis von S und/oder Se zu C in der positiven Elektrode 22' im Bereich von 1:9 bis 9:1.
  • Der mikroporöse Polymerseparator 18 kann in einer Ausführungsform ein Polyolefin umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil), entweder linear oder verzweigt, sein. Wenn ein von zwei Monomerbestandteilen abgeleitetes Heteropolymer eingesetzt wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymerkettenanordnung annehmen, einschließlich jener eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Das gleiche gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. In einer Ausführungsform kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein. Die Separatoren 18 können optional mit Keramik beschichtete Materialien sein, einschließlich unter anderem eines oder mehrere von keramischem Aluminiumoxid (z. B. Al2O3) und lithiierten Oxiden vom Zeolith-Typ.
  • Lithiierte Oxide vom Zeolith-Typ können die Sicherheit und Zykluslebensdauerleistung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren, wie zum Beispiel der Akkumulatorzelle 10, verbessern.
  • Der mikroporöse Polymerseparator 18 kann eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat sein, das entweder aus einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt ist. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins die Gesamtheit des mikroporösen Polymerseparators 18 ausmachen. Als ein weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten von gleichen oder unterschiedlichen Polyolefinen zu dem mikroporösen Polymerseparator 18 zusammengefügt sein. Der mikroporöse Polymerseparator 18 kann auch andere Polymere zusätzlich zu dem Polyolefin umfassen, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder ein Polyamid (Nylon). Die Polyolefinschicht und beliebige andere optionale Polymerschichten können ferner in dem mikroporösen Polymerseparator 18 als Faserschicht enthalten sein, um dabei zu helfen, den mikroporösen Polymerseparator 18 mit geeigneten strukturellen Eigenschaften und Porositätseigenschaften zu versehen. Der Fachmann wird sicherlich die vielen verfügbaren Polymere und kommerziellen Produkte kennen und verstehen, aus denen der mikroporöse Polymerseparator 18 hergestellt werden kann, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung des mikroporösen Polymerseparators 18 angewendet werden können.
  • In einer Ausführungsform schließt eine Lithiumakkumulatorzelle eine Kathode, umfassend LiNixCoyMnzO2 (z. B. LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2), und einen Elektrolyten, umfassend DMP, ein. Der Elektrolyt kann optional ferner ein oder mehrere Hilfslösungsmittel in einem Volumenverhältnis von DMP zu kollektivem Hilfslösungsmittel von etwa 3:7 bis etwa 7:3 einschließen. Hilfslösungsmittel können eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan einschließen. Der Elektrolyt kann ferner etwa 3,0 M bis etwa 6,0 M gelöstes LiN(FSO2)2 umfassen. Die Lithiumakkumulatorzelle kann eine Lithiummetallanode umfassen.
  • In einer Ausführungsform schließt eine Lithiumakkumulatorzelle eine Kathode, umfassend ein schwefelaktives Material (z. B. einschließlich Schwefel, Kohlenstoff und eines oder mehrerer Bindemittel), und einen Elektrolyt, umfassend DMP, ein. Das schwefelaktive Material kann Schwefel, Kohlenstoff und ein Bindemittel einschließen. Das Schwefel:Kohlenstoff:Bindemittel-Gewichtsverhältnis kann etwa 70:25:5 (+/- 5 Gew.-% jeweils für Schwefel, Kohlenstoff und Bindemittel) betragen. Das Bindemittel kann eines oder mehrere von PEO, PVDF, PVA, CMC und SBR umfassen. Der Elektrolyt kann optional ferner ein oder mehrere Hilfslösungsmittel in einem Volumenverhältnis von DMP zu kollektivem Hilfslösungsmittel von etwa 3:7 bis etwa 7:3 einschließen. Hilfslösungsmittel können eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan einschließen. In einer Ausführungsform umfasst das Hilfslösungsmittel 1,3-Dioxolan und das Volumenverhältnis von DMP zu 1,3-Dioxolan beträgt etwa 1:1 (+/- 5 Vol.-% jeweils für DMP und 1,3-Dioxolan). Der Elektrolyt kann ferner etwa 0,3 M bis etwa 0,5 M, oder etwa 4,0 M gelöstes LiN(FSO2)2 und etwa 0,5 M bis etwa 0,7 M, oder etwa 0,6 M gelöstes LiNO3 umfassen.
  • Beispiel 1:
  • Um die Stabilität von DMP mit der Stabilität von DME, einem üblichen ElektrolytLösungsmittel, zu vergleichen, wurden zwei Testakkumulatorzellen mit Lithiumanoden und Kathoden mit aktivem Material, umfassend Schwefel, Kohlenstoffruß und ein polymeres CMC-Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 70:25:5, konstruiert. Der Elektrolyt der ersten Testakkumulatorzelle umfasste 0,4 M LiN(FSO2)2 und 0,6 M LiNO3 gelöst in DME und 1,3-Dioxolan (mit einem Volumenverhältnis von DME zu 1,3-Dioxolan von 1:1). Der Elektrolyt der zweiten Testakkumulatorzelle umfasste 0,4 M LiN(FSO2)2 und 0,6 M LiNO3 gelöst in DMP und 1,3-Dioxolan (mit einem Volumenverhältnis von DMP zu 1,3-Dioxolan von 1:1). Für die erste und die zweite Testakkumulatorzelle wurden 10 Lade- und Entladezyklen durchgeführt. 3A veranschaulicht die Kapazitätsabnahme der ersten (d. h. DME-) Testakkumulatorzelle über die 10 Zyklen und 3B veranschaulicht die Kapazitätsabnahme der zweiten (d. h. DMP-) Testakkumulatorzelle über die 10 Zyklen. Die zweite Testakkumulatorzelle weist eine signifikant geringere Kapazitätsabnahme als die erste Testakkumulatorzelle auf und zeigt die Überlegenheit von DMP als ein Elektrolytlösungsmittel im Vergleich zu DME.
  • Beispiel 1:
  • Um die Leistung eines Akkumulatorszelle mit einem DMP-Elektrolyt über mehrere Zyklen zu demonstrieren, wurde eine Lithiumakkumulatorzelle mit einer 20 µm dicken Lithiumanode, einer Kathode mit aktivem Material, umfassend LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2, und einem Elektrolyt, umfassend 4,0 M LiN(FSO2)2 gelöst in DMP, konstruiert. Der Akkumulator wurde 140 Zyklen unterzogen (d. h. aufgeladen und entladen). 4A veranschaulicht die Ladespannung 401 und die Entladespannung 402 für die 140 Zyklen. 4B veranschaulicht die Kapazität der Akkumulatorzelle relativ zu jedem Zyklus. 4B veranschaulicht, dass die Akkumulatorzelle, die einen DMP-Elektrolyt verwendet, selbst nach 140 Zyklen eine hohe Kapazität aufrechterhalten kann.
  • Wenngleich oben Ausführungsbeispiele beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen eingeschlossen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften als vorteilhaft oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik bevorzugt beschrieben worden sein könnten, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtsystemattribute, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen, zu erzielen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. einschließen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Daher liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere beschrieben Ausführungsformen oder Implementierungen des Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (10)

  1. Lithiumakkumulatorzelle, umfassend: einen Elektrolyt, umfassend 1,3-Dimethoxypropan; eine Anode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Anode Lithium umfasst; und eine Kathode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Kathode ein Lithium-Metalloxid umfasst.
  2. Lithiumakkumulatorzelle nach Anspruch 1, wobei das Lithium-Metalloxid LiNixCoyMnzO2 oder Lithiumeisenphosphat umfasst.
  3. Lithiumakkumulatorzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt ferner gelöstes LiN(FSO2)2 und optional ein 1,3-Dioxolan-Hilfslösungsmittel umfasst und das Lithium-Metalloxid LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 umfasst.
  4. Lithium-Chalkogen-Akkumulatorzelle, umfassend: einen Elektrolyt, umfassend 1,3-Dimethoxypropan; eine Anode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Anode Lithium umfasst; und eine Kathode, die in dem Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Kathode ein Chalkogenmaterial umfasst.
  5. Lithium-Chalkogen-Akkumulatorzelle nach Anspruch 4, wobei die Kathode ein oder mehrere Schwefelmaterialien und/oder ein oder mehrere Selenmaterialien umfasst.
  6. Lithium-Chalkogen-Akkumulatorzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Kathode ferner ein Bindemittel und einen leitfähigen Füllstoff umfasst.
  7. Lithium-Chalkogen-Akkumulatorzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Elektrolyt ferner eines oder mehrere von gelöstem LiN(FSO2)2 und gelöstem LiNO3 und optional ein 1,3-Dioxolan-Hilfslösungsmittel umfasst und die Kathode Schwefel, Kohlenstoff und ein Bindemittel umfasst.
  8. Akkumulatorzellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt ferner ein Hilfslösungsmittel einschließlich eines oder mehrere von Tetrahydrofuran, 2 Methyltetrahydrofuran und 1,3-Dioxolan einschließt.
  9. Akkumulatorzellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt ferner ein Lithiumsalz einschließlich eines oder mehrere von LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4 LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2 und LiPF6 einschließt.
  10. Elektrolyt für einen Lithium-Ionen-Akkumulator umfassend 1,3-Dimethoxypropan (DMP).
DE102019115887.7A 2018-11-13 2019-06-11 Akkumulatorelektrolyte umfassend 1,3-Dimethoxypropan und diese verwendende Akkumulatorzellen Withdrawn DE102019115887A1 (de)

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