DE102021112634A1

DE102021112634A1 - Elektrolyt auf propylencarbonatbasis mit verlängerter langlebigkeit

Info

Publication number: DE102021112634A1
Application number: DE102021112634.7A
Authority: DE
Inventors: Li Yang; Umamaheswari Viswanathan; Mary E. Fortier
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2021-05-15
Publication date: 2022-05-05
Also published as: US20220140396A1; CN114430069A; US11646450B2

Abstract

Es ist ein Elektrolyt vorgesehen. Der Elektrolyt umfasst ein Lösungsmittel, das Propylencarbonat (PC) enthält; ein Lithiumsalz, das in dem Lösungsmittel gelöst ist; ein erstes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das erste Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anoden-Festelektrolyt-Zwischenschicht zu stabilisieren; ein zweites Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das zweite Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren; und ein drittes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das dritte Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren. Das erste, das zweite und das dritte Additiv sind chemisch unterschiedlich. Es sind außerdem elektrochemische Zellen vorgesehen, die den Elektrolyt umfassen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Elektrochemische Energiespeicher, wie z. B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, einschließlich Automobilprodukten, wie z. B. Start-Stopp-Systeme (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), akkumulatorgestützte Systeme („µBAS“), Hybridelektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen zwei Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyt. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können außerdem verschiedene Pol- und Verpackungsmaterialien umfassen. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode dient als negative Elektrode oder Anode. Viele wiederaufladbare Lithium-lonen-Akkumulatoren funktionieren, indem Lithiumionen reversierbar zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen beim Laden des Akkumulators von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode und beim Entladen des Akkumulators in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder ein Elektrolyt angeordnet sein.
Der Elektrolyt umfasst ein Lithiumsalz in einem Lösungsmittel und ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten. Daher ist es vorteilhaft, einen Elektrolyt zu verwenden, der stabil ist und keine negativen Wechselwirkungen mit den Elektroden eingeht, z. B. durch Abblätterung von Graphitanoden oder Verschleiß von lithiumbasierten Kathoden, insbesondere wenn Propylencarbonat (PC) im Lösungsmittel enthalten ist. Die Minimierung der Elektrodenabblätterung und/oder des Elektrodenverschleißes verlängert die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkumulators.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Elektrolyt auf Basis von Propylencarbonat (PC) mit verlängerter Langlebigkeit.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die gegenwärtige Technologie eine Elektrolytzusammensetzung bereit, die ein Lösungsmittel, das Propylencarbonat (PC) umfasst, ein Lithiumsalz, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, ein erstes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das erste Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anoden-Festelektrolyt-Zwischenschicht zu stabilisieren, ein zweites Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das zweite Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren, und ein drittes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das dritte Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren, wobei das erste, das zweite und das dritte Additiv chemisch unterschiedlich sind, aufweist.
Bei einem Aspekt ist das erste Additiv Vinylencarbonat (VC).
Bei einem Aspekt ist das zweite Additiv Lithiumdifluorophosphat (LFO).
Bei einem Aspekt ist das dritte Additiv Prop-1-en-1 ,3-sulton (PES).
Bei einem Aspekt umfasst die Elektrolytzusammensetzung größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) als erstes Additiv; größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Lithiumdifluorophosphat (LFO) als zweites Additiv; und größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Prop-1-en-1,3-sulton (PES) als drittes Additiv.
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel ferner ein Hilfslösungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus cyclischen Carbonaten, acyclischen Carbonaten, aliphatischen Carbonsäureestern, γ-Lactonen, Kettenstrukturethern, cyclischen Ethern und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel ferner ein Hilfslösungsmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylencarbonat (EC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, y-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Ethylpropylether (EPE), fluoriertem linearen Carbonat (F-EMC), fluoriertem Ether (F-EPE), Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (2-Me THF) und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und Ethylmethylcarbonat (EMC).
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel das Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und das Ethylmethylcarbonat (EMC) in einem Verhältnis von EC:PC:EMC von ungefähr 30:5:65 (w:w:w).
Bei einem Aspekt weist das Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithi-umbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSi), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumoxalyldifluoroborat (LiODFB), Lithiumsulfonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiSFSI), Lithiumcarbonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiCFSI) Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂) oder Kombinationen davon auf.
Bei einem Aspekt stellt die derzeitige Technologie eine elektrochemische Zelle bereit, die die Elektrolytzusammensetzung umfasst.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die gegenwärtige Technologie außerdem eine Elektrolytzusammensetzung bereit, die ein Lösungsmittel, das Propylencarbonat (PC) umfasst, ein Lithiumsalz, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, und eine Vielzahl von Additiven, die in dem Lösungsmittel gelöst sind, umfasst, wobei die Vielzahl von Additiven Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) umfasst.
Bei einem Aspekt umfasst die Elektrolytzusammensetzung größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-% des Propylencarbonats (PC); das Lithiumsalz in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0.25 M bis kleiner oder gleich ungefähr 2 M; und jeweils größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Vinylencarbonats (VC), des Lithiumdifluorophosphats (LFO) und des Prop-1-en-1,3-sultons (PES).
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel ferner Ethylencarbonat (EC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Ethylpropylether (EPE), fluoriertes lineares Carbonat (F-EMC), fluorierten Ether (F-EPE), Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (2-Me THF) oder Kombinationen davon und das Lithiumsalz umfasst Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSi), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumoxalyldifluoroborat (LiODFB), Lithiumsulfonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiSFSI), Lithiumcarbonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiCFSI) Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂) oder Kombinationen davon.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die gegenwärtige Technologie ferner eine elektrochemische Zelle bereit, die einen Separator, der zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, und einen Elektrolyt umfasst, der in dem Separator angeordnet ist und die Anode und die Kathode überbrückt, wobei der Elektrolyt ein Propylencarbonat (PC) umfassendes Lösungsmittel, ein Lithiumsalz, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, und eine Vielzahl von Additiven, die in dem Lösungsmittel gelöst sind, umfasst, wobei die Vielzahl von Additiven Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) umfasst.
Bei einem Aspekt umfasst das Lösungsmittel des Elektrolyten ferner Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Kombinationen davon.
Bei einem Aspekt umfasst das Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆).
Bei einem Aspekt umfasst die Anode Graphit, wobei der Graphit nach 800 Lade- und Entladezyklen im Wesentlichen frei von Abblätterungen ist.
Bei einem Aspekt weist die elektrochemische Zelle nach 800 Lade- und Entladezyklen eine Ladungshaltung von größer oder gleich ungefähr 95 % auf.
Bei einem Aspekt weist die elektrochemische Zelle nach 800 Lade- und Entladezyklen eine Ladungshaltung von größer oder gleich ungefähr 98 % auf.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt eine grafische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle gemäß verschiedener Aspekte der derzeitigen Technologie.
2 zeigt die Molekülstrukturen von Propylencarbonat (PC), Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z. B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der beispielhaften Werte, der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Elektrolyte, die ein Lithiumsalz in einem Lösungsmittel umfassen, stellen ein Medium für Lithiumionen bereit, in dem sie während der Lade- und Entladezyklen eines Lithium-Ionen-Akkumulators, d. h. einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, zwischen einer Anode und einer Kathode wandern können. Um den Zykluswirkungsgrad und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu verlängern, ist es von Vorteil, stabile Elektrolyte einzusetzen. Dementsprechend stellt die derzeitige Technologie einen Elektrolyt für einen Lithium-Ionen-Akkumulator bereit, der Propylencarbonat (PC) in einem Lösungsmittel und wenigstens drei Additive umfasst. Der Elektrolyt ist insofern stabilisierend, als Graphitanoden und/oder lithiumbasierte Kathoden nicht abblättern oder verschleißen, wenn sie in einem Lithium-Ionen-Akkumulator enthalten sind, der den Elektrolyt umfasst. Als solcher weist der Lithium-Ionen-Akkumulator eine verlängerte Ladungshaltung und Lebensdauer im Vergleich zu einem entsprechenden Lithium-Ionen-Akkumulator auf, der identische Komponenten, aber nicht alle drei Additive im Elektrolyt umfasst.
Eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle 20 (hierin auch als Akkumulator bezeichnet), d. h. einer Lithium-Ionen-Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 1 gezeigt. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, bezieht sich der hierin verwendete Begriff „Ionen“ auf Lithiumionen. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 30 (z. B. einen mikroporösen Polymerseparator), der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Ein Elektrolyt (d. h. ein flüssiger Elektrolyt) ist im gesamten Separator 30 vorhanden und optional in der negativen Elektrode 22 als fester Anolyt 90 und/oder in der positiven Elektrode 24 als fester Katolyt 92 vorhanden. Optional können eine erste Vielzahl von Elektrolytteilchen bzw. ein zweiter flüssiger Elektrolyt (d. h. ein Anolyt) 90 und/oder eine zweite Vielzahl von Elektrolytteilchen bzw. ein dritter flüssiger Elektrolyt (d. h. ein Katolyt) 92 auch mit negativen elektroaktiven Teilchen 50 und positiven elektroaktiven Teilchen 60 gemischt werden, die in der negativen Elektrode 22 bzw. der positiven Elektrode 24 vorhanden sind, um ein kontinuierliches Elektrolytnetzwerk zu bilden, das ein kontinuierliches Fest-Flüssig-Hybrid-Elektrolytnetzwerk sein kann. Beispielsweise sind die negativen elektroaktiven Teilchen 50 und die positiven elektroaktiven Teilchen 60 unabhängig voneinander mit keinem Elektrolyt, mit der ersten/zweiten Vielzahl von Elektrolytteilchen 90, 92 oder mit dem zweiten/dritten flüssigen Elektrolyt 90, 92 gemischt.
Ein Stromkollektor der negativen Elektrode 32 kann sich an oder nahe der negativen Elektrode 22 befinden und ein Stromkollektor der positiven Elektrode 34 kann sich an oder nahe der positiven Elektrode 24 befinden. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode und der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg (wie durch die Blockpfeile dargestellt). Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor der negativen Elektrode 32) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor der positiven Elektrode 34) verbinden. Verbundelektroden können auch ein elektrisch leitendes Verdünnungsmittel, wie z. B. Ruß oder Kohlenstoffnanoröhren, umfassen, das in Materialien dispergiert ist, die die negative Elektrode 22 und/oder die positive Elektrode 24 definieren.
Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversible elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge Lithium enthält, einen elektrischen Strom erzeugen (angezeigt durch die Blockpfeile). Die Differenz des chemischen Potenzials zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 treibt die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Ionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Ionen wandern durch den Separator 30 über den Elektrolyt zur positiven Elektrode 24, wo sie plattiert, zur Reaktion gebracht oder eingelagert werden können. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden (in der Richtung der Blockpfeile), bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 verringert ist.
Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle (z. B. ein Ladegerät) an den Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators stattfinden. Der Anschluss der externen Stromquelle an den Akkumulator 20 erzwingt die nicht-spontane Oxidation eines oder mehrerer Metallelemente an der positiven Elektrode 24 zur Erzeugung von Elektronen und Ionen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zur negativen Elektrode 22 zurückfließen, und die Ionen, die sich über den Separator 30 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch beim nächsten Entladezyklus des Akkumulators auf. Als solches wird jedes Entlade- und Ladeereignis als eine Zyklisierung betrachtet, bei der Ionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden.
Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem Wechselstromquellen, wie z. B. Wechselstromwandsteckdosen und Wechselstromlichtmaschinen in Kraftfahrzeugen. In vielen Anordnungen des Akkumulators 20 werden jeweils der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 30, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode als relativ dünne Schichten (z. B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket bereitzustellen. In verschiedenen anderen Fällen kann der Akkumulator 20 Elektroden 22, 24 umfassen, die in Reihe geschaltet sind.
Bei verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 ferner eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel (nicht einschränkend) kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen und jegliche andere herkömmliche Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 30 oder um dieselben herum, befinden können. Wie bereits erwähnt, können die Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Akkumulatorbetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder - Akkumulatoren in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird.
Dementsprechend kann der Akkumulator 20 elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die mit dem externen Stromkreis 40 wirkverbunden sein kann. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich die Batterie 20 entlädt, vollständig oder teilweise gespeist werden. Während es sich bei der Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere nicht einschränkende Beispiele von Strom verbrauchenden Geräten einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch eine Stromerzeugungsvorrichtung sein, die den Akkumulator 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Der Separator 30 ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 angeordnet. Der Separator 30 wirkt wie ein elektrischer Isolator, indem er zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 angeordnet ist, um einen physischen Kontakt und damit das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Die flüssige Elektrolytlösung befindet sich im gesamten Separator 30 und optional in der negativen Elektrode 22 als Anolyt 90 und/oder in der positiven Elektrode 24 als Katolyt 92. Zusätzlich zur Bereitstellung einer physikalischen Barriere zwischen den Elektroden 22, 24 wirkt der Separator 30 daher wie ein Schwamm, der die Elektrolytlösung in einem Netzwerk offener Poren während der Zyklisierung von Lithiumionen enthält, um die Funktion des Akkumulators 20 zu ermöglichen. Wie oben erörtert, treibt die Differenz des chemischen Potenzials zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch die im Separator 30 enthaltene flüssige Elektrolytlösung zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithiumionen wandern über den Separator 30, der die Elektrolytlösung enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden.
Der Separator 30 fungiert sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanische Stütze. Bei einigen Aspekten umfasst der Separator 30 ein Polyolefin, das mikroporös sein kann. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Handelt es sich um ein Heteropolymer, kann das Polyolefin aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet sein. Das Polyolefin kann jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das sich von mehr als zwei Monomerbestandteilen ableitet, kann es ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. Bei bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) handeln.
Ist der Separator 30 ein mikroporöser Polymerseparator, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann bei einer Ausgestaltung eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen Polymerseparator 30 bilden. Bei anderen Aspekten kann der Separator 30 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen Polymerseparator 30 zu bilden. Bei den Polyolefinen kann es sich um Homopolymere (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder Heteropolymere (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) handeln, die entweder linear oder verzweigt sein können. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das sich von mehr als zwei Monomerbestandteilen ableitet, kann es ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. Bei bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) handeln. Der mikroporöse Polymerseparator 30 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, z. B. unter anderen Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid. Handelsübliche Polyolefinmembranen umfassen CELGARD^® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-Polyethylen-Polypropylen-Separator), die beide bei Celgard, LLC, erhältlich sind. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den mikroporösen Polymerseparator 30 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem mikroporösen Polymerseparator 30 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen. Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 30 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung solcher mikroporöser Polymerseparatoren 30 eingesetzt werden können, denkbar.
Handelt es sich bei dem Separator 30 um ein Polymer, kann er mit einem keramischen Material gemischt oder seine Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet sein. Eine keramische Beschichtung kann beispielsweise keramische Oxide wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Lithium-Lanthan-Zirconium-Oxid (LLZO), Lithium-Lanthan-Titan-Oxid (LLTO), Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP), einen Lithium-Superionenleiter (LISICON), Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LIPON) oder Kombinationen davon umfassen. Bei verschiedenen alternativen Ausgestaltungen umfasst der Separator 30 anstelle eines polymeren Materials, wie oben erörtert, ein grünes keramisches Oxid (d. h. ein keramisches Oxid, das nicht gesintert oder anderweitig verdichtet wurde) mit einer hohen Porosität von größer oder gleich ungefähr 10 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-%.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 z. B. durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Teilchen 50 definiert sein. In bestimmten Fällen, wie veranschaulicht, ist die negative Elektrode 22 ein Verbundstoff, der eine Mischung aus den negativen elektroaktiven Teilchen 50 und dem Anolyt 90 umfasst. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% der negativen elektroaktiven Teilchen 50 und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Anolyten 90 umfassen. Solche negativen Elektroden 22 können eine interpartikuläre Porosität 82 zwischen den negativen elektroaktiven Teilchen 50 und/oder dem Anolyt 90 (wenn dieser in Form von Festkörper-Anolytteilchen vorliegt) aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Vol.-% ist. Der Anolyt 90 kann mit dem Katolyt 92 identisch oder davon verschieden sein.
Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Teilchen 50 auf Basis von Lithium vorliegen, z. B. eine Lithiumlegierung umfassen. Bei weiteren Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Teilchen 50 auf Basis von Silicium vorliegen und z. B. Silicium, Siliciumdioxid oder eine Siliciumlegierung umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine kohlenstoffhaltige Anode sein und die negativen elektroaktiven Teilchen 50 können ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen, wie z. B. Graphit, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs). Bei noch weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien, wie z. B. Lithium-Titan-Oxid (Li₄Ti₅O₁₂), ein oder mehrere Metalloxide, wie z. B. Vanadiumpentoxid (V₂O₅) und Metallsulfide, wie z. B. Eisen(II)-Sulfid (FeS), umfassen.
Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Teilchen 50 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Unversehrtheit der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise können die negativen elektroaktiven Teilchen 50 optional mit Bindemitteln, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), AcrylnitrilButadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethylcellulose (CMC) und/oder Lithiumpolyacrylat (LiPAA), vermischt sein. Elektrisch leitfähige Materialien können z. B. Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z. B. Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitendes Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen können leitfähige Additive beispielsweise ein oder mehrere leitfähige, nicht aus Kohlenstoff bestehende Additive umfassen, die aus einfachen Oxiden (wie RuO₂, SnO₂, ZnO, Ge₂O₃), supraleitenden Oxiden (wie YBa₂Cu₃O₇, La_0,75Ca_0,25MnO₃), Carbiden (wie SiC₂), Siliciden (wie MoSi₂) und Sulfiden (wie CoS₂) ausgewählt sind.
In bestimmten Fällen, z. B. wenn die negative Elektrode 22 (d. h. die Anode) kein Lithiummetall umfasst, können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gew.-% und optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitenden Additive und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel umfassen. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material, das Fachleuten bekannt ist, gebildet sein.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem elektroaktiven Material auf Lithiumbasis gebildet sein, das einer Lithiuminterkalation und -deinterkalation ausgesetzt sein kann, während es als positiver Pol des Akkumulators 20 fungiert. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 z. B. durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Teilchen 60 definiert sein. In bestimmten Fällen, wie veranschaulicht, ist die positive Elektrode 24 ein Verbundstoff, der eine Mischung aus den positiven elektroaktiven Teilchen 60 und dem Katolyt 92 umfasst. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% der positiven elektroaktiven Teilchen 60 und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% des Katolyten umfassen. Solche positiven Elektroden 24 können eine interpartikuläre Porosität 84 zwischen den positiven elektroaktiven Teilchen 60 und/oder dem Katolyt 92 (wenn dieser in Form von Festkörper-Katolytteilchen vorliegt) aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Vol.-% und optional größer oder gleich ungefähr 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Vol.-% ist. Bei verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine geschichtete Oxidkathode, eine Spinellkathode oder eine Polyanionkathode sein. In den Fällen einer geschichteten Oxidkathode (z. B. Steinsalz-Schichtoxide) können die positiven elektroaktiven Teilchen 60 beispielsweise ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die aus LiCoO₂, Li-Ni_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) ausgewählt sind. Die Spinellkathode kann ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, wie z. B. LiMn₂O₄ und Li-Ni_xMn_1,5O₄. Das Polyanionenkation kann zum Beispiel ein Phosphat, wie LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄ oder Li₃V₂(PO₄)F₃ und/oder ein Silikat, wie LiFeSiO₄, umfassen. Auf diese Weise können die positiven elektroaktiven Teilchen 60 bei verschiedenen Aspekten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus LiCoO₂, Li-Ni_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, LiNi_xMn_1,5O₄, LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄, Li₃V₂(PO₄)F₃, LiFeSiO₄ und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Teilchen 60 beschichtet sein (z. B. mit Al₂O₃) und/oder das positive elektroaktive Material kann dotiert sein (z. B. mit Magnesium).
Bei bestimmten Abwandlungen können die positiven elektroaktiven Teilchen 60 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder wenigstens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Unversehrtheit der negativen Elektrode 24 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise können die positiven elektroaktiven Teilchen 60 optional mit Bindemitteln, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), AcrylnitrilButadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und/oder Lithiumpolyacrylat (LiPAA), vermischt sein. Elektrisch leitfähige Materialien können z. B. Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z. B. Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitendes Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen.
Bei bestimmten Aspekten können Mischungen aus den leitenden Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 25 Gew.-% und optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitenden Additive und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel umfassen. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material, das Fachleuten bekannt ist, gebildet sein.
Infolge der interpartikulären Porosität 82, 84 zwischen Teilchen innerhalb des Akkumulators 20 kann ein direkter Kontakt zwischen den elektroaktiven Teilchen 50, 60 und dem Anolyt 90 und dem Katolyt 92, wenn sie in fester Form vorliegen, viel geringer sein als der Kontakt zwischen dem Anolyt und dem Katolyt, wenn sie in flüssiger Form vorliegen. Um den Kontakt zwischen den elektroaktiven Teilchen 50, 60 und dem festen Anolyt 90 und Katolyt 92 zu verbessern, kann die Menge der elektroaktiven Teilchen 50, 60 innerhalb der Elektroden erhöht werden.
Der Elektrolyt ist in der Lage, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Gemäß dem Stand der Technik ist der Elektrolyt eine flüssige Zusammensetzung, die ein Lösungsmittel, ein in dem Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz und wenigstens drei in dem Lösungsmittel gelöste Additive umfasst. Das Lösungsmittel ist organisch und umfasst, als nicht einschränkende Beispiele, Alkylcarbonate, wie z. B. cyclische Carbonate (Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Butylencarbonat (BC), fluoriertes cyclisches Carbonat (Fluorethylencarbonat (FEC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Ethylpropylether (EPE), fluoriertes lineares Carbonat (F-EMC), fluorierten Ether (F-EPE)), cyclische Ether (Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (2-Me THF)) oder Kombinationen davon. Als solches kann das Lösungsmittel eine Vielzahl von Hilfslösungsmitteln umfassen.
Der Elektrolyt weist eine Reihe von besonderen Vorteilen auf, wenn das Lösungsmittel Propylencarbonat (PC) umfasst, insbesondere wenn die negative Elektrode 22 Graphit umfasst. Daher umfasst das Lösungsmittel bei einigen Aspekten Propylencarbonat (PC) (siehe 2) und wenigstens ein zusätzliches Hilfslösungsmittel. Das Propylencarbonat (PC) ist in dem Elektrolyt mit einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% enthalten, einschließlich Konzentrationen von ungefähr 5 Gew.-%, ungefähr 10 Gew.-%, ungefähr 15 Gew.-%, ungefähr 20 Gew.-%, ungefähr 25 Gew.-%, ungefähr 30 Gew.-%, ungefähr 35 Gew.-%, ungefähr 40 Gew.-%, ungefähr 45 Gew.-%, ungefähr 50 Gew.-%, ungefähr 55 Gew.-%, ungefähr 60 Gew.-%, ungefähr 65 Gew.-%, ungefähr 70 Gew-%, ungefähr 75 Gew.-% oder ungefähr 80 Gew.-%. Bei dem wenigstens einen zusätzlichen Hilfslösungsmittel handelt es sich als nicht einschränkende Beispiele um Ethylencarbonat (EC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Ethylpropylether (EPE), fluoriertes lineares Carbonat (F-EMC), fluorierten Ether (F-EPE), Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (2-Me THF) oder Kombinationen davon. In einem beispielhaften Elektrolyten umfasst das Lösungsmittel das Propylencarbonat (PC) sowie Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC) und/oder Diethylcarbonat (DEC). In einem weiteren beispielhaften Elektrolyten umfasst das Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und Ethylmethylcarbonat (EMC), wobei das Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und das Ethylmethylcarbonat (EMC) in einem Verhältnis von EC:PC:EMC von ungefähr 30:5:65 (w:w:w) enthalten sein können. Bei einigen Aspekten ist der Elektrolyt im Wesentlichen frei von wässrigen Lösungsmitteln. Mit „im Wesentlichen frei von wässrigen Lösungsmitteln“ ist gemeint, dass wässrige Lösungsmittel nur als unvermeidbare Verunreinigungen im Elektrolyt enthalten sein können, z. B. in einer Konzentration von kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des Elektrolyten.
Bei dem Lithiumsalz handelt es sich als nicht einschränkendes Beispiel um Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSi), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumoxalyldifluoroborat (LiODFB), Lithiumsulfonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiSFSI), Lithiumcarbonylbis(fluorosulfonyl)imid (LiCFSI) Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂) oder Kombinationen davon. Das Lithiumsalz ist in dem Elektrolyt, d. h. in dem Lösungsmittel, in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,25 M bis kleiner oder gleich ungefähr 2 M bereitgestellt, einschließlich Konzentrationen von ungefähr 0,25 M, ungefähr 0,5 M, ungefähr 0,75 M, ungefähr 1 M, ungefähr 1,25 M, ungefähr 1,5 M, ungefähr 1,75 M oder ungefähr 2 M. Ist mehr als ein Lithiumsalz in dem Elektrolyt enthalten, ist jedes Lithiumsalz einzeln in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,25 M bis kleiner oder gleich ungefähr 2 M enthalten.
Die wenigstens drei Additive umfassen ein erstes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das erste Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anoden-Festelektrolyt-Zwischenschicht zu stabilisieren, ein zweites Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das zweite Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und das Lithiumsalz zu stabilisieren, und ein drittes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das dritte Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und das Lithiumsalz zu stabilisieren. Das erste, das zweite und das dritte Additiv sind chemisch unterschiedlich (d. h. keines der Additive weist dieselbe chemische Struktur auf) und sind einzeln und unabhängig in Konzentrationen von größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich 5 Gew.-% in dem Elektrolyt enthalten, einschließlich einzelner und unabhängiger Konzentrationen von ungefähr 0,05 Gew.-%, ungefähr 0,1 Gew.-%, ungefähr 0,25 Gew.-%, ungefähr 0,5 Gew.-%, ungefähr 0,75 Gew.-%, ungefähr 1 Gew.-%, ungefähr 1,25 Gew.-%, ungefähr 1,5 Gew.-%, ungefähr 1,75 Gew.-%, ungefähr 2 Gew.-%, ungefähr 2,25 Gew. %, ungefähr 2,5 Gew.-%, ungefähr 2,75 Gew.-%, ungefähr 3 Gew.%, ungefähr 3,25 Gew.-%, ungefähr 3,5 Gew.-%, ungefähr 3,75 Gew.-%, ungefähr 4 Gew.-%, ungefähr 4,25 Gew.-%, ungefähr 4,5 Gew.-%, ungefähr 4,75 Gew.-% oder ungefähr 5 Gew.-%. Bei einigen Aspekten ist das erste Additiv Vinylencarbonat (VC), das zweite Additiv ist Lithiumdifluorophosphat (LFO) (LiPO₂F₂), und das dritte Additiv ist Prop-1-en-1,3-sulton (PES). Die Molekularstrukturen von Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) sind in 2 gezeigt.
Bei bestimmten Aspekten umfasst der Elektrolyt Propylencarbonat (PC) als Lösungsmittelkomponente und Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) als Additive. Obwohl zusätzliche Additive in dem Elektrolyt enthalten sein können, versteht es sich, dass die Additive auf Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) beschränkt sein können. Daher können die Additive Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, wobei „im Wesentlichen daraus bestehen“ bedeutet, dass, obwohl kein anderes Additiv absichtlich in dem Elektrolyt enthalten ist, unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sein können, z. B. in Konzentrationen von kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der drei Additive.
Bei bestimmten weiteren Aspekten umfasst der Elektrolyt das Lösungsmittel, das Lithiumsalz und das Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES), besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus, wobei das Lösungsmittel Propylencarbonat (PC) und wenigstens ein oben beschriebenes Hilfslösungsmittel umfasst. Wie hierin verwendet, bedeutet „besteht im Wesentlichen aus“, dass, obwohl keine andere Komponente absichtlich in dem Elektrolyt enthalten ist, unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sein können, z. B. in Konzentrationen von kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten. Als nicht einschränkendes Beispiel umfasst das Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) in einem Verhältnis von EC:PC:EMC von ungefähr 30:5:65 (w:w:w), das Lithiumsalz in einer Konzentration von 1 M und jeweils das Vinylencarbonat (VC), Lithiumdifluorophosphat (LFO) und Prop-1-en-1,3-sulton (PES) mit 2 Gew.-%, besteht im Wesentlichen daraus (d. h. umfasst zusätzlich nur unvermeidbare Verunreinigungen) oder besteht daraus. Das Lithiumsalz kann wenigstens Hexafluorophosphat (LiPF₆) als nicht einschränkendes Beispiel umfassen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist der Graphit, wenn der Akkumulator 20 negative elektroaktive Teilchen 50 umfasst, die Graphit in der negativen Elektrode 22 umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und der Elektrolyt die wenigstens drei Additive und optional Propylencarbonat (PC) als eine Lösungsmittelkomponente umfasst, nach 500 Lade- und Entladezyklen, nach 600 Lade- und Entladezyklen, nach 700 Lade- und Entladezyklen, nach 800 Lade- und Entladezyklen, nach 900 Lade- und Entladezyklen oder nach 1000 Lade- und Entladezyklen frei oder im Wesentlichen frei von Abblätterungen. Ebenso sind die positiven elektroaktiven Teilchen 60 der positiven Elektrode 24 über die gleiche Anzahl von Lade- und Entladezyklen frei oder im Wesentlichen frei von Verschleiß. Mit „im Wesentlichen frei“ ist gemeint, dass, wenn eine Abblätterung der negativen Elektrode 22 und/oder ein Verschleiß der positiven Elektrode 24 auftreten, dies nach 500 Lade- und Entladezyklen, nach 600 Lade- und Entladezyklen, nach 700 Lade- und Entladezyklen, nach 800 Lade- und Entladezyklen, nach 900 Lade- und Entladezyklen oder nach 1000 Lade- und Entladezyklen keine wesentliche Auswirkung auf die Ladungshaltung, den coulombschen Wirkungsgrad oder die Lebensdauer der elektrochemischen Zelle hat, wobei eine „wesentliche Auswirkung“ eine Verringerung der Ladungshaltung, des coulombschen Wirkungsgrads oder der Lebensdauer von größer oder gleich ungefähr 5 % ist. Als solcher weist der Akkumulator 20 nach 500 Lade- und Entladezyklen, nach 600 Lade- und Entladezyklen, nach 700 Lade- und Entladezyklen, nach 800 Lade- und Entladezyklen, nach 900 Lade- und Entladezyklen oder nach 1000 Lade- und Entladezyklen eine Ladungshaltung von größer oder gleich ungefähr 95 %, größer oder gleich ungefähr 98 % oder größer oder gleich ungefähr 99 % auf. Der Akkumulator 20 weist nach 500 Lade- und Entladezyklen, nach 600 Lade- und Entladezyklen, nach 700 Lade- und Entladezyklen, nach 800 Lade- und Entladezyklen, nach 900 Lade- und Entladezyklen oder nach 1000 Lade- und Entladezyklen zusätzlich einen coulombschen Wirkungsgrad von größer oder gleich ungefähr 95 %, größer oder gleich ungefähr 98 % oder größer oder gleich ungefähr 99 % auf. Dementsprechend weist der Akkumulator 20 eine ausgezeichnete Ladungshaltung und einen ausgezeichneten coulombschen Wirkungsgrad im Vergleich zu einem entsprechenden Akkumulator auf, der identische Komponenten umfasst, aber nicht alle drei Additive im Elektrolyt umfasst. Daher weist der Akkumulator zusätzlich eine längere Lebensdauer im Vergleich zu dem entsprechenden Akkumulator auf, der identische Komponenten umfasst, aber nicht alle drei Additive im Elektrolyt umfasst.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Elektrolytzusammensetzung, umfassend: ein Lösungsmittel, das Propylencarbonat (PC) umfasst, ein in dem Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz, ein erstes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das erste Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anoden-Festelektrolyt-Zwischenschicht zu stabilisieren, ein zweites Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das zweite Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren, und ein drittes Additiv, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, wobei das dritte Additiv dazu ausgelegt ist, eine Anode, eine Kathode und/oder das Lithiumsalz zu stabilisieren, wobei das erste, das zweite und das dritte Additiv chemisch unterschiedlich sind.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das erste Additiv Vinylencarbonat (VC) ist.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das zweite Additiv Lithiumdifluorophosphat (LFO) ist.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das dritte Additiv Prop-1-en-1,3-sulton (PES) ist.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, umfassend: größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) als erstes Additiv, größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Lithiumdifluorophosphat (LFO) als zweites Additiv und größer oder gleich ungefähr 0,05 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% Prop-1-en-1,3-sulton (PES) als drittes Additiv.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel ferner ein Hilfslösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus cyclischen Carbonaten, acyclischen Carbonaten, aliphatischen Carbonsäureestern, γ-Lactonen, Kettenstrukturethern, cyclischen Ethern und Kombinationen davon besteht.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel ferner ein Hilfslösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ethylencarbonat (EC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Ethylpropylether (EPE), fluoriertem linearen Carbonat (F-EMC), fluoriertem Ether (F-EPE), Tetrahydrofuran (THF), 2-Methyltetrahydrofuran (2-Me THF) und Kombinationen davon besteht.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC), das Propylencarbonat (PC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) umfasst.
Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Lithiumsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSi), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumoxalyldifluoroborat (LiODFB), Lithiumsulfonylbis(fluorosulfonyl.
Elektrochemische Zelle, umfassend die Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1.