DE102021129465A1 - Nicht entflammbarer solvatisierter ionischer flüssigelektrolyt mit verdünnungsmitteln - Google Patents

Abstract

Eine Elektrolytzusammensetzung wird bereitgestellt. Die Elektrolytzusammensetzung enthält eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Komplex aus einem Ether und einem Kation sowie ein Verdünnungsmittel, das ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält.

Description

• EINLEITUNG
• Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
• Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie z.B. Lithiumionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Konsumgütern und Fahrzeugen der Automobilindustrie eingesetzt werden, wie z.B. in Start-Stopp-Systemen (z.B. 12V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen („µBAS“), Hybrid-Elektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten Elektroden, einen Separator und einen Elektrolyten. Lithiumionen-Batterien können auch verschiedene Anschluss- und Gehäusematerialien enthalten. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode (d.h. Kathode), und die andere Elektrode dient als negative Elektrode (d.h. Anode). Viele wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und hergeleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein.
• Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen (oder Natriumionen im Fall von Natriumionen-Batterien) zwischen den Elektroden geeignet und kann in fester Form, in flüssiger Form oder in Form eines Festkörper-Flüssigkeit-Hybrids vorliegen. In den Fällen von Festkörperbatterien, die eine zwischen Festkörperelektroden angeordnete Festkörperelektrolytschicht enthalten, kann die Festkörperelektrolytschicht die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist. Es ist von Vorteil, wenn Elektrolyte eine hohe Ionenleitfähigkeit, thermische und langfristige Zyklenstabilität sowie eine geringe Entflammbarkeit aufweisen. Die folgende Offenbarung bezieht sich auf einen solchen Elektrolyten.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
• Die vorliegende Offenbarung betrifft nicht-entflammbare solvatisierte ionische Flüssigelektrolyte mit Verdünnungsmitteln. In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Technologie eine Elektrolytzusammensetzung bereit, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Komplex aus einem Ether und einem Kation sowie ein Verdünnungsmittel mit einem phosphorhaltigen Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält.
• In einem Aspekt ist das Anion der solvatisierten ionischen Flüssigkeit aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), Bis(pentafluoroethansulfonyl)imid (BETI-), Hexafluorophosphat (PF₆ ^-), Tetrafluoroborat (BF₄ ^-), Trifluormethylsulfonat (TfO^-), Difluoroborat (DFOB^-), Bis(oxalat)borat (BOB^-) und einer Kombination daraus.
• In einem Aspekt ist der Ether ein Oligoether der Formel CH₃O-(CH₂CH₂O)_n-CH₃, wobei 1 ≤ n ≤ 10 und das Kation Li⁺ ist.
• In einem Aspekt enthält das Verdünnungsmittel ein Phosphat-Flammschutzmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Triethylphosphat, Trimethylphosphat, Tributylphosphat, Triphenylphosphat, Phosphazen, Diphenyloctylphosphat, Tris(2,2,2-trifluorethyl)phosphat und einer Kombination daraus.
• In einem Aspekt enthält das Verdünnungsmittel ein Phosphit-Flammschutzmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Triethylphosphit, Trimethylphosphit, Tributylphosphit, Triphenylphosphit und einer Kombination daraus.
• In einem Aspekt enthält das Verdünnungsmittel ein Phosphonat-Flammschutzmittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Bis(2.2.2.-trifluorethyl)methylphosphonat, Diethylphosphonat, Diethylethylphosphonat und einer Kombination daraus.
• In einem Aspekt liegen die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel in einem Verhältnis von etwa 1:10 bis etwa 5:1 nach Volumen vor.
• In einem Fall weist die solvatisierte ionische Flüssigkeit ein molares Verhältnis von Anion:Komplex von etwa 1:1 auf.
• In einem Aspekt enthält die Elektrolytzusammensetzung außerdem ein Additiv für die feste Elektrolytgrenzfläche.
• In einem Aspekt ist die Elektrolytzusammensetzung im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln, die keine ionischen Flüssigkeiten oder solvatisierten ionischen Flüssigkeiten sind.
• In einem Aspekt sind die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel in ein Polymer eingebettet, wobei das Polymer eine Konzentration von mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der solvatisierten ionischen Flüssigkeit und des Polymers, aufweist, und wobei die Elektrolytzusammensetzung ein Gelelektrolyt ist.
• In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Technologie auch eine elektrochemische Zelle bereit, die die Elektrolytzusammensetzung enthält.
• In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Technologie außerdem eine elektrochemische Zelle mit einer positiven Elektrode bereit, die aufweist positive elektroaktive Teilchen; eine negative Elektrode mit negativen elektroaktiven Teilchen; und eine Elektrolytzusammensetzung, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Glyme-Lithiumkationenkomplex in einem molaren Verhältnis von Anion:Glyme-Lithiumkationenkomplex von etwa 1:1 und ein Verdünnungsmittel enthält, das ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält, wobei die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel in einem Volumenverhältnis von solvatisierter ionischer Flüssigkeit:Verdünnungsmittel von etwa 1:10 bis etwa 5:1 vorhanden sind und wobei die Elektrolytzusammensetzung nicht entflammbar ist, wobei die elektrochemische Zelle nach 100 Lade- und Entladezyklen eine Kapazitätserhaltung von mehr als oder gleich etwa 95 % aufweist.
• In einem Aspekt ist das Anion der solvatisierten ionischen Flüssigkeit Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), Bis(pentafluoroethansulfonyl)imid (BETI-), Hexafluorophosphat (PF₆ ^-), Tetrafluoroborat (BF₄ ^-), Trifluormethylsulfonat (TfO^-), Difluoroborat (DFOB^-), Bis(oxalat)borat (BOB^-) oder eine Kombination davon, und das Glyme der solvatisierten ionischen Flüssigkeit ist Ethylenglykol-Dimethylether (G1), Diethylenglykol-Dimethylether (G2), Triethylenglykol-Dimethylether (G3), Tetraethylenglykol-Dimethylether (G4) oder eine Kombination davon.
• In einem Aspekt ist das Anion Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), das Glyme enthält mindestens eines von Triethylenglykol-Dimethylether (G3) oder Tetraethylenglykol-Dimethylether (G4), und das Verdünnungsmittel enthält Triethylphosphat.
• In einem Aspekt umfasst die elektrochemische Zelle ferner einen polymeren Separator, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektrolytzusammensetzung in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode zu transportieren, und wobei die Elektrolytzusammensetzung eine Flüssigkeit oder ein Gel ist, das die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel, eingebettet in eine Polymermatrix, enthält.
• In einem Aspekt ist die elektrochemische Zelle eine elektrochemische Festkörperzelle, die ferner einen Festkörperelektrolyten einschließt, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektrolytzusammensetzung mit mindestens einem Teil der positiven elektroaktiven Teilchen, der negativen elektroaktiven Teilchen, des Festkörperelektrolyten oder einer Kombination davon in Kontakt steht, und wobei die Elektrolytzusammensetzung eine Flüssigkeit oder ein Gel ist, das die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel enthält und in eine Polymermatrix eingebettet ist.
• In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Technologie weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle bereit, wobei das Verfahren das Inkontaktbringen einer Elektrolytzusammensetzung mit mindestens einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode oder mit einem polymeren Separator oder einem Festkörperelektrolyten einschließt, wobei die Elektrolytzusammensetzung eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Komplex aus einem Ether und einem Kation und ein Verdünnungsmittel umfasst, das ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält.
• In einem Aspekt ist die Elektrolytzusammensetzung eine Flüssigkeit oder ein Gel, das die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel enthält, die in eine Polymermatrix eingebettet sind.
• In einem Aspekt ist das Anion der solvatisierten ionischen Flüssigkeit Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), Bis(pentafluoroethansulfonyl)imid (BETI-), Hexafluorophosphat (PF₆ ^-), Tetrafluoroborat (BF₄ ^-), Trifluormethylsulfonat (TfO^-), Difluoroborat (DFOB^-), Bis(oxalat)borat (BOB^-) oder eine Kombination davon; das Glyme der solvatisierten ionischen Flüssigkeit ist Ethylenglykol-Dimethylether (G1), Diethylenglykol-Dimethylether (G2), Triethylenglykol-Dimethylether (G3), Tetraethylenglykol-Dimethylether (G4) oder eine Kombination davon; und das Kation ist ein Lithiumkation.
• Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
• Figurenliste
• Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
• 1 ist eine Darstellung einer ersten elektrochemischen Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 2 ist eine Darstellung einer zweiten elektrochemischen Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 3 ist eine Darstellung einer dritten elektrochemischen Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 4 ist eine Darstellung einer Elektrolytzusammensetzung, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit und ein Verdünnungsmittel gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie enthält.
• 5 zeigt Komplexe verschiedener Glymes mit einem Lithiumkation gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 6 ist eine Darstellung einer Elektrolytzusammensetzung, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit und ein Verdünnungsmittel enthält, die in eine Polymermatrix eingebettet sind, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 7 ist ein Foto einer Gelmembran-Elektrolytzusammensetzung, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit und ein Verdünnungsmittel enthält, die in eine Polymermatrix eingebettet sind, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie.
• 8A-8C. 8A, 8B und 8C zeigen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie ein negatives elektroaktives Teilchen, ein positives elektroaktives Teilchen bzw. ein Festkörperelektrolytteilchen, die jeweils mit einer Gelelektrolytzusammensetzung beschichtet sind, die eine solvatisierte ionische Flüssigkeit und ein Verdünnungsmittel enthält, die in eine Polymermatrix eingebettet sind.
• 9 ist ein Diagramm, das die Zyklusfähigkeit einer beispielhaften Elektrolytzusammensetzung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie und einer Vielzahl von Vergleichselektrolyten zeigt.
• 10 ist ein Nyquist-Diagramm, das die Impedanz von beispielhaften Elektrolytzusammensetzungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie zeigt.
• 11A-11C. 11A, 11B und 11C zeigen eine beispielhafte Elektrolytzusammensetzung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie vor, während bzw. nach dem Kontakt mit einer Flamme.
• 12 ist ein Diagramm, das die Ratenfähigkeiten von beispielhaften Elektrolytzusammensetzungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie zeigt.
• 13 ist ein Diagramm, das die Zyklusleistung von beispielhaften Elektrolytzusammensetzungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Technologie zeigt.
• Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
• Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ 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 verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten 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 Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
• Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
• Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
• Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
• Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Abbildungen dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
• In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten 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. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
• Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
• Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
• Die vorliegende Technologie stellt Elektrolytzusammensetzungen mit einer solvatisierten ionischen Flüssigkeit bereit. Ein feuerhemmendes Verdünnungsmittel ist in den Elektrolytzusammensetzungen enthalten, um die Viskosität zu verringern und die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen, ohne die elektrochemische Stabilität zu beeinträchtigen, und um die Zyklierbarkeit bzw. den zyklischen Betrieb zu verbessern. Die Elektrolytzusammensetzungen sind nicht entflammbar und für Hochleistungsanwendungen geeignet.
• Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle 20a (hier auch als „die Batterie“ bezeichnet), d.h. einer Lithiumionen-Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, ist in 1 gezeigt. Wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, bezieht sich der hier verwendete Begriff „Ionen“ auf Lithiumionen. Die Batterie 20a umfasst eine negative Elektrode 22 (d.h. eine Anode) mit einer Vielzahl negativer elektroaktiver Teilchen 24 und eine positive Elektrode 26 (d.h. eine Kathode) mit einer Vielzahl positiver elektroaktiver Teilchen 28. Die negative Elektrode 22 und/oder die positive Elektrode 26 können auch einen Zusatzelektrolyten 30 enthalten, der direkt mit den negativen und/oder positiven elektroaktiven Teilchen 24, 28 verbunden, eingebettet oder darin dispergiert ist. In Verbindung mit den negativen elektroaktiven Teilchen 24 der negativen Elektrode 22 kann der Zusatzelektrolyt 30 als „Anolyt“ bezeichnet werden. In Verbindung mit den positiven elektroaktiven Teilchen 28 der positiven Elektrode 26 kann der Zusatzelektrolyt 30 als „Katholyt“ bezeichnet werden. Der Zusatzelektrolyt 30 kann ein Flüssig- oder Gelelektrolyt 32 sein, der eine Elektrolytzusammensetzung 100 umfasst, die weiter unten unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert wird, und/oder der Zusatzelektrolyt 30 kann eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 34 enthalten. In einigen Aspekten können die negative und positive Elektrode 22, 26 denselben Zusatzelektrolyten 30 enthalten, und in anderen Aspekten können die negative und positive Elektrode 22, 26 unterschiedliche Zusatzelektrolyten 30 enthalten. Wenn vorhanden, kann der Zusatzelektrolyt 30 mindestens einer der folgenden sein: (1) der flüssige oder gelartige Zusatzelektrolyt 30, 32, der zwischen den negativen elektroaktiven Teilchen 24 und/oder den positiven elektroaktiven Teilchen 28 dispergiert ist oder diese beschichtet; oder (2) der feste Zusatzelektrolyt 30, 34, der zwischen den negativen elektroaktiven Teilchen 24 und/oder den positiven elektroaktiven Teilchen 28 dispergiert ist. Die Batterie 20a enthält auch einen Separator 36, der zwischen den Elektroden 22, 26 angeordnet ist. Der Separator 36 wirkt als elektrischer Isolator, indem er zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 26 eingefügt ist, um einen physischen Kontakt und damit das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Die Elektrolytzusammensetzung 100 ist im gesamten Separator 36 als Flüssigelektrolyt oder als Gelelektrolyt vorhanden und optional in der negativen Elektrode 22 und/oder in der positiven Elektrode 26 als Zusatzelektrolyt 30, 32. Wenn vorhanden, trägt der Zusatzelektrolyt 30 dazu bei, ein durchgehendes Elektrolytnetzwerk zwischen den Elektroden 22, 26 zu schaffen. Daher wirkt der Separator 36 nicht nur als physische Barriere zwischen den Elektroden 22, 26, sondern auch wie ein Schwamm, der die Elektrolytlösung 100 in einem Netzwerk offener Poren während des Zyklus von Lithiumionen enthält, um das Funktionieren der Sekundärbatterie 20 zu erleichtern. Während der Entladung treibt eine chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 26 und der negativen Elektrode 22 Elektronen, die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 22 erzeugt wurden, durch den externen Stromkreis 50 (wie durch die Blockpfeile dargestellt) zur positiven Elektrode 26. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch die im Separator 36 enthaltene Elektrolytzusammensetzung 100 zur positiven Elektrode 26 transportiert.
• Die Festkörperelektrolytteilchen 34 des Zusatzelektrolyten 30 oder die einen Festkörperelektrolyten 46 einer Festkörperbatterie 20b bilden, wie unten mit Bezug auf 2 erörtert, können auf Oxidbasis (und optional metalldotiert), Sulfidbasis, Nitridbasis, Hydridbasis, Halogenidbasis oder Boratbasis vorliegen. Zu den Teilchen auf Oxidbasis gehören Oxide des Granattyps, Oxide des Perowskit-Typs, Oxide vom Typ des Natrium-Super-Ionenleiters (NASICON), Oxide vom Typ des Lithium-Super-Ionenleiters (LISICON) sowie dotierte Derivate davon, und Kombinationen davon. Die Oxide des Granattyps können die Grundformel Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) und eine tetraedrische Struktur haben. Die Oxide vom Perowskit-Typ können die Grundformel Li_3xLa_2/3-xTiO₃ haben, wobei 0 < x < 3 (LLTO). Die Oxide vom NASICON-Typ können die Grundformel Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃, (LATP, z.B. Li_1,3Al_0,3Ti_1,7(PO₄)₃ und Li_1,4Al_0,4Ti_1,6(PO₄)₃) oder Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (LAGP) haben. Die Oxide vom LISICON-Typ können die Formel Li_2+2xZn_1-xGeO₄ (LZGO) haben). Dotierte Derivate der Festkörperelektrolyte auf Oxidbasis können eine höhere lonenleitfähigkeit aufweisen als entsprechende undotierte Grundstrukturen. Als nicht einschränkende Beispiele umfasst der Dotierstoff Aluminium (Al³⁺, z.B. aus Al₂O₃), Tantal (Ta⁵⁺, z.B. aus TaCl₅), Niob (Nb⁵⁺, z.B. aus Nb(OCH₂CH₃)₅), Gallium (Ga³⁺, z.B. aus Ga₂O₃), Indium (In³⁺, z.B. aus In₂O₃), Zinn (Sn⁴⁺, z.B. aus SnO₄), Antimon (Sb⁴⁺, z.B. aus Sb₂O₃), Bismut (Bi⁴⁺, z.B. aus Bi₂O₃), Yttrium (Y³⁺, z.B. aus Y₂O₃), Germanium (Ge⁴⁺, z.B. aus GeO₂), Zirkonium (Zr⁴⁺, z.B. aus ZrO₂), Calcium (Ca²⁺, z.B. aus CaCI), Strontium (Sr²⁺, z.B. aus SrO), Barium (Ba²⁺, z.B. aus BaO), Hafnium (Hf⁴⁺, z.B. aus HfO₂) oder Kombinationen davon. Es versteht sich, dass sich die Stöchiometrie der Grundformel der Oxide ändern kann, wenn ein Dotierstoff vorhanden ist. Zum Beispiel kann dotiertes LLZO die Formel Li_7-3-yAl_xLa₃Zr_2-yM_yO₁₂ haben, wobei M Ta und/oder Nb ist; Li_6,5La₃Zr_1,5M_0,5O₁₂, wobei M Nb und/oder Ta ist; Li_7-xLa₃Zr_2-xBi_xO₁₂ oder Li_6,5Ga_0,2La_2,9Sr_0,1Zr₂O₁₂. Die Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis können umfassen ein Li₂S-P₂S₅-System, ein Li₂S-P₂S₅-MO_X-System, ein Li₂S-P₂S₅-MS_x-System, Li₁₀GeP₂Si₂ (LGPS), thio-LISICON (Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, Li₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Lithium-Argyrodit Li₆PS₅X (X = Cl, Br oder I), Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3 (25 mS/cm), Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_10,35Si_1,35P_1,65S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2,19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Lil-Li₄SnS₄, Li₄SnS₄ und Kombinationen davon. Zu den beispielhaften Festkörperelektrolyten auf Nitridbasis gehören Li₃N, Li₇PN₄, LiSi₂N₃, Li₂PO₂N (LIPON) und Kombinationen davon. Zu den beispielhaften Festkörperelektrolyten auf Hydridbasis gehören LiBH₄, LiBH₄-LiX (X = Cl Br oder I), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂, Li₃AlH₆ und Kombinationen davon. Zu den beispielhaften Festkörperelektrolyten auf Halogenidbasis gehören Lil, Li₃InCl₆, Li₂CdCl₄, Li₂MgCl₄, Li₂CdI₄, Li₂ZnI₄, Li₃OCl und Kombinationen davon. Beispiele für Festkörperelektrolyte auf Boratbasis sind Li₂B₄O₇, Li₂O-B₂O₃-P₂O₅ und Kombinationen davon.
• Ein Stromkollektor 38 für die negative Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 positioniert sein, und ein Stromkollektor 40 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 26 positioniert sein. Der Stromkollektor 38 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 40 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 50 (wie durch die Blockpfeile gezeigt). Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 50 und eine Lastvorrichtung 52 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 38 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 26 (über den Stromkollektor 40 der positiven Elektrode) verbinden. Verbundelektroden können auch ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Ruß oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, enthalten, das in den Materialien verteilt ist, die die negative Elektrode 22 und/oder die positive Elektrode 26 bilden.
• Die Batterie 20a kann während der Entladung einen elektrischen Strom (wie durch die Blockpfeile gezeigt) durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 50 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 26 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge an Lithium enthält. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 26 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingeführten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 50 in Richtung der positiven Elektrode 26. Ionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch die Elektrolytzusammensetzung 100 zur positiven Elektrode 26 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 50, und die Ionen wandern durch die Elektrolytzusammensetzung 100 und durch den Separator 36 zur positiven Elektrode 26, wo sie plattieren, reagieren oder eingelagert werden können. Der durch den externen Stromkreis 50 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 52 (in der Richtung der Blockpfeile) geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20a abgenommen hat.
• Die Batterie 20a kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle (z.B. Ladegerät) an die Batterie 20a geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Der Anschluss der externen Stromquelle an die Batterie 20a erzwingt die nicht-spontane Oxidation eines oder mehrerer Metallelemente an der positiven Elektrode 26 zur Erzeugung von Elektronen und Ionen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 50 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen, und die Ionen, die sich über den Separator 36 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich an der negativen Elektrode 22 wieder und füllen sie wieder mit Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus auf. Daher wird jedes Entladungs- und Ladeereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Ionen zwischen der positiven Elektrode 26 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden.
• Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20a verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Zu den bemerkenswerten und beispielhaften externen Stromquellen gehören unter anderem Wechselstromquellen, wie z.B. Wechselstrom-Steckdosen und Kfz-Lichtmaschinen, die einen AC-DC-Wandler erfordern können. In vielen der Konfigurationen der Batterie 20 werden jeweils der Stromkollektor 38 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 36, die positive Elektrode 26 und der Stromkollektor 40 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann die Batterie 20a Elektroden 22, 26 enthalten, die in Reihe geschaltet sind.
• Darüber hinaus kann die Batterie 20a in bestimmten Aspekten eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20a ein Gehäuse, eine Dichtung, Anschlusskappen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20a befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 26 und/oder den Separator 36 herum, um ein nicht einschränkendes Beispiel zu geben. Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20a je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20a höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20a kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallel geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 52 benötigt wird.
• Dementsprechend kann die Batterie 20a einen elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 52 erzeugen, die operativ an den externen Stromkreis 50 angeschlossen sein kann. Die Lastvorrichtung 52 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20a entladen wird. Während es sich bei der Lastvorrichtung 52 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, gibt es als nicht einschränkende Beispiele einige spezifische Beispiele für stromverbrauchende Lastvorrichtungen, wie ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisches Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 52 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20a zum Zwecke der Energiespeicherung auflädt.
• Der Separator 36 wirkt sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanische Stütze. In einer Ausführungsform ist der Separator 36 ein mikroporöses Polymer, das ein Polyolefin enthält. 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. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln.
• Handelt es sich bei dem Separator 36 um einen mikroporösen polymeren Separator, hat er eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm oder größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 50 µm. Der mikroporöse polymere Separator kann eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat sein, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen Polymerseparator 36 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 36 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 36 zusammengesetzt werden. Die Polyolefine können Homopolymere (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder Heteropolymere (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, die entweder linear oder verzweigt sein können. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin sein Polyacrylnitril (PAN)), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP, optional mit expandiertem PTFE verstärkt), Polyethylen (PE; wahlweise beschichtet mit z.B. SiO₂), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylen (PP), Polypropylenoxid (PPO), eine Mischung aus PE und PP, mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP und deren Copolymere. Der mikroporöse polymere Separator 38 kann zusätzlich oder alternativ zum Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B. Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylenterephthalat (PET) und/oder ein Polyamid. Zu den handelsüblichen porösen Polyolefinmembranen gehören CELGARD^® 2400 und 2500 (einschichtige Polypropylen-Separatoren), CELGARD^® 2730 (ein einlagiger Polyethylen-Separator), und CELGARD^® 2010, 2320 und 2325 (dreischichtige Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separatoren), alle erhältlich bei Celgard, LLC, Vliesstoffe auf Polyimid (PI)-Nanofaserbasis, eine nanoskalige, mit Al₂O₃ und Poly(lithium-4-styrolsulfonat) beschichtete Polyethylenmembran, mit Co-Polyimid-beschichtetes Polyethylen, Polyetherimide (PEI), Bisphenol-Aceton-Diphthalsäureanhydrid (BPADA), para-Phenylendiamin, Sandwich-strukturierte PVdF/PMIA/PVdF-Nanofaser-Separatoren und dergleichen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 36 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 36 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen. Es kommen verschiedene handelsübliche Polymere und Handelsprodukte zur Bildung des Separators 36 in Frage. Die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung solcher mikroporösen polymeren Separatoren 36 eingesetzt werden können, sind ebenfalls in Betracht zu ziehen.
• Wenn es sich um ein Polymer handelt, kann der Separator 36 mit der Elektrolytzusammensetzung 100 und/oder einem keramischen Material gemischt werden, oder seine Oberfläche kann mit der Elektrolytzusammensetzung 100 oder einem keramischen Material beschichtet werden. Eine keramische Beschichtung kann z.B. keramische Oxide enthalten, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Siliciumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), LLZO, LLTO, LATP, LISICON, LIPON oder Kombinationen davon. In verschiedenen alternativen Ausführungsformen umfasst der Separator 36 anstelle eines polymeren Materials, wie oben beschrieben, ein grünes Keramikoxid (d.h. ein Keramikoxid, das nicht gesintert oder anderweitig verdichtet wurde) mit einer hohen Porosität von mehr als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Vol.-%. Wenn der Separator mit der Elektrolytzusammensetzung 100 gemischt wird, kann sich ein Elektrolytgel bilden, wie das Elektrolytgel 150, das weiter unten unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird.
• Die negative Elektrode 22 hat eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1 mm und kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet werden, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungieren kann. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch die negativen elektroaktiven (Festkörper-)Teilchen 24 gebildet sein. In bestimmten Fällen ist, wie dargestellt, die negative Elektrode 22 ein Verbundwerkstoff, der eine Mischung aus den negativen elektroaktiven Teilchen 24 und dem Zusatzelektrolyten 30 (Anolyt) als Flüssig- oder Gelelektrolyt 32 und/oder als die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 34 umfasst. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 und mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% des Zusatzelektrolyten 30 enthalten. Solche negativen Elektroden 22 können eine Interteilchenporosität 42 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 und/oder dem Zusatzelektrolyten 30 aufweisen, die größer oder gleich etwa 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Vol.-% ist. In bestimmten Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 auf Lithiumbasis sein, z.B. eine Lithiumlegierung. In anderen Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 auf Siliciumbasis vorliegen und z.B. Silicium (Si), SiO_x, Si/C, SiO_x/C oder eine Siliciumlegierung enthalten. In noch anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 eine kohlenstoffhaltige Anode sein, und die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 können ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen, wie z.B. Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, harten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff und Kombinationen davon. In noch anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 eine Metalllegierung (z.B. Li, Sn und dergleichen) oder ein Metalloxid (z.B. SnO₂, Fe₃O₄ und dergleichen) sein. In noch weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien enthalten, wie z.B. Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂); ein oder mehrere Metalloxide, wie z.B. V₂O₅; und Metallsulfide, wie FeS.
• In verschiedenen Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 24 optional vermischt sein mit Bindemitteln, wie bloßen Alginatsalzen, Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), und/oder Lithium-Polyacrylat (LiPAA) als Bindemittel. Elektrisch leitfähige Materialien können z.B. Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Graphen, Graphenoxid, Ruß (z.B. Super P^®-Ruß (TIMCAL), Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern (z.B. Kohlenstoff-Nanofasern), Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. In bestimmten Variationen können die leitfähigen Additive beispielsweise ein oder mehrere nicht kohlenstoffhaltige leitfähige Additive umfassen, die ausgewählt sind aus einfachen Oxiden (wie RuO₂, SnO₂, ZnO, Ge₂O₃), supraleitenden Oxiden (wie YBa₂Cu₃O₇, La_0,75Ca_0,25MnO₃), Karbiden (wie z.B. SiC₂), Siliciden (wie MoSi₂) und Sulfiden (wie CoS₂).
• In bestimmten Aspekten, z.B. wenn die negative Elektrode 22 (d.h. die Anode) kein Lithiummetall enthält, können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 25 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitfähigen Additive und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel enthalten. Der Stromkollektor 38 für die negative Elektrode kann aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein, das den Fachleuten bekannt ist.
• Die positive Elektrode 26 hat eine Dicke, die größer als oder gleich etwa 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 1 mm ist, und kann aus einem lithiumbasierten oder elektroaktiven Material gebildet sein, das Lithiumeinlagerung und -auslagerung erfahren kann, während es als positiver Pol der Batterie 20 fungiert. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 26 z.B. durch die Vielzahl der positiven elektroaktiven (Festkörper-)Teilchen 28 gebildet sein. In bestimmten Fällen ist die positive Elektrode 26, wie dargestellt, ein Verbundstoff, der eine Mischung aus den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 und dem Zusatzelektrolyten 30 (Katholyt) als Flüssig- oder Gelelektrolyt 32 und/oder als die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 34 umfasst. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 26 mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 und mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Zusatzelektrolyten 30 enthalten. Solche positiven Elektroden 26 können eine Interteilchenporosität 44 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 und/oder dem Zusatzelektrolyten 30 aufweisen, die größer oder gleich etwa 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Vol.-% und optional größer oder gleich 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Vol.-% ist.
• In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 26 eine Kathode aus einem geschichteten Oxid, eine Spinell-Kathode oder eine Polyanionkathode sein. In den Fällen einer Schichtoxid-Kathode (z.B. Steinsalz-Schichtoxide) können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 beispielsweise ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die ausgewählt sind aus LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) für Festkörper-Lithiumionen-Batterien. Die Spinellkathode kann ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, wie LiMn₂O₄ und LiNi_xMn_1,5O₄. Das Polyanion-Kation kann z.B. ein Phosphat enthalten, wie LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄ oder Li₃V₂(PO₄)F₃ für Lithiumionen-Batterien, und/oder ein Silikat, wie LiFeSiO₄ für Lithiumionen-Batterien. Auf diese Weise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 in verschiedenen Aspekten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus LiCoO₂, LiNi_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_0,5Mn_1,5O₄, LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄, Li₃V₂(PO₄)F₃, LiFeSiO₄ und Kombinationen davon. In bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 beschichtet sein (z.B. mit Al₂O₃ oder LiNbO₃) und/oder das positive elektroaktive Material kann dotiert sein (z.B. mit Magnesium).
• In verschiedenen Variationen können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 26 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 28 optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS) und/oder Lithium-Polyacrylat (LiPAA) als Bindemittel. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Graphen, Graphenoxid, Ruß (z.B. Super P^®-Ruß (TIMCAL), Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DEN-KA™-Ruß), Kohlenstofffasern (z.B. Kohlenstoff-Nanofasern), Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen.
• In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 26 mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 25 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitfähigen Additive und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel enthalten. Der Stromkollektor 40 der positiven Elektrode kann aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material gebildet sein, das den Fachleuten bekannt ist.
• Gemäß 2 betrifft die vorliegende Technologie auch eine Festkörperbatterie 20b, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Komponenten der Festkörperbatterie 20b, die äquivalente, korrespondierende Komponenten in der Batterie 20a von 1 haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Sekundärbatterie 20b umfasst die negative Elektrode 22, den Stromkollektor 38 für die negative Elektrode, die positive Elektrode 26 und den Stromkollektor 40 für die positive Elektrode sowie die elektroaktiven Teilchen 24, 28 und die Zusatzelektrolyte 30, 32, 34. Anstelle eines Separators enthält die Festkörperbatterie 20b jedoch einen Festkörperelektrolyten 46, der zwischen den Elektroden 22, 26 angeordnet ist. Der Festkörperelektrolyt 46 ist sowohl ein Separator, der die negative Elektrode 22 von der positiven Elektrode 26 physisch trennt, als auch ein ionenleitender Elektrolyt. Der Festkörperelektrolyt 46 schafft außerdem einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Ionen. Der Festkörperelektrolyt 46 umfasst die oben beschriebenen Festkörperelektrolytteilchen 34 und steht als Flüssigkeit oder Gel mit der Elektrolytzusammensetzung 100 in Kontakt. Der Festkörperelektrolyt 46 kann beispielsweise in Form einer Schicht oder eines Verbunds vorliegen, der die Festkörperelektrolytteilchen 34 umfasst und eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1 mm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm aufweist. Der Festkörperelektrolyt 46 kann zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 34 eine Interteilchenporosität 48 (hier definiert als ein Bruchteil des Gesamtvolumens der Poren über das Gesamtvolumen der beschriebenen Schicht oder des Films) aufweisen, die größer als 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Vol.-%, größer oder gleich etwa 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 40 Vol.-%, oder größer oder gleich etwa 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Vol.-%, ist. Infolge der Interteilchenporosität 42, 44, 48 zwischen den Teilchen in der Batterie 20b kann der direkte Kontakt zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 24, 28 und den Festkörperelektrolytteilchen 34 viel geringer sein als der Kontakt zwischen einem flüssigen Elektrolyten und den elektroaktiven Festkörperteilchen in vergleichbaren Nicht-Festkörperbatterien. Um den Kontakt zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 24, 28 und den Festkörperelektrolytteilchen 34 zu verbessern, kann die Menge der Festkörperelektrolytteilchen 34 innerhalb der Elektroden durch Einschluss und/oder Einführung des Zusatzelektrolyten 30, 32, 34 erhöht werden.
• Gemäß 3 berücksichtigt die vorliegende Technologie auch eine Festkörper-Metallbatterie 20c, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Komponenten der Festkörperbatterie 20c, die äquivalente Komponenten wie in der Batterie 20a von 1 und der Festkörperbatterie 20b von 2 haben, sind mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. So umfasst die Sekundärbatterie 20b den Stromkollektor 38 für die negative Elektrode, die positive Elektrode 26 und den Stromkollektor 40 für die positive Elektrode, die positiven elektroaktiven Teilchen 28, den Kathodenzusatzelektrolyten 30, 32, 34 und den Festkörperelektrolyten 46 in Kontakt mit der Elektrolytzusammensetzung 100. Die negative Elektrode 22 der Festkörper-Metallbatterie 20c umfasst jedoch einen festen Film 60 aus Lithiummetall. Daher enthält die negative Elektrode 22 keine negativen elektroaktiven Teilchen 24. Während des Zyklus werden Ionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, zwischen dem festen Film 60 der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 26 transportiert.
• Gemäß dem Stand der Technik und unter Bezugnahme auf 4 umfasst die Elektrolytzusammensetzung 100 eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion 102 und einem Komplex 104, der umfasst einen Ether 106 und ein Kation 108; und ein Verdünnungsmittel 110. Die Elektrolytzusammensetzung weist eine Ionenleitfähigkeit von mehr als oder gleich etwa 2 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 2,5 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 3 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 3,5 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 4 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 4,5 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 5 mS/cm, mehr als oder gleich etwa 5,5 mS/cm oder mehr als oder gleich etwa 6 mS/cm auf und ist nicht brennbar. Wenn die Elektrolytzusammensetzung in der elektrochemischen Zelle 20a als flüssiger Elektrolyt enthalten ist, weist die elektrochemische Zelle 20a nach 100 Lade- und Entladezyklen eine Kapazitätserhaltung von mehr als oder gleich etwa 95 % auf. Als Flüssigkeit hat die Elektrolytzusammensetzung 100 eine Viskosität von größer oder gleich etwa 1 mPa ▪ s bis kleiner oder gleich etwa 200 mPa ▪ s, größer oder gleich etwa 1 mPa ▪ s bis kleiner oder gleich etwa 100 mPa ▪ s, größer oder gleich etwa 1 mPa ▪ s bis kleiner oder gleich etwa 50 mPa ▪ s oder größer oder gleich etwa 1 mPa ▪ s bis kleiner oder gleich etwa 20 mPa ▪ s.
• Das Anion 102 der solvatisierten ionischen Flüssigkeit wird aus einem Salz gewonnen, das das Kation 108 und das Anion 102 enthält. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Anion Bis(fluorosulfonyl)imid (FSI-), Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), Bis(pentafluorethansulfonyl)imid (BETI-), Hexafluorophosphat (PF₆ ^-), Tetrafluorborat (BF₄ ^-), Trifluormethylsulfonat (TfO^-), Difluorborat (DFOB^-), Bis(oxalat)borat (BOB^-) oder eine Kombination davon sein.
• Der Ether 106 des Komplexes 104 umfasst mindestens ein oder mindestens zwei Ethersauerstoffatome, die einzeln oder gemeinsam in der Lage sind, das Kation 108 zu solvatisieren, d.h. zu chelatisieren. In bestimmten Aspekten ist der Ether 106 ein Oligoether, wie ein Glyme (d.h. ein Ether eines Glykols), mit der Formel CH₃O-(CH₂CH₂O)_n-CH₃, wobei 1 ≤ n ≤ 10. Nicht einschränkende Beispiele für Glyme sind Ethylenglykol-Dimethylether (G1; „Monoglyme“), Diethylenglykol-Dimethylether (G2; „Diglyme“), Triethylenglykol-Dimethylether (G3; „Triglyme“), Tetraethylenglykol-Dimethylether (G4; „Tetraglyme“), Pentaethylenglykol-Dimethylether (G5; „Pentaglyme“) und Kombinationen davon. Das Kation 108 entspricht den Kationen, die in der elektrochemischen Zelle 20a, 20b, 20c zyklisch bewegt werden, die Lithiumkationen (Li⁺) oder Natriumkationen (Na⁺) sein können.
• Die solvatisierte ionische Flüssigkeit der Elektrolytzusammensetzung 100 ist gekennzeichnet durch ein molares Verhältnis von Anion 102: Komplex 104 von etwa 0,5:1 bis etwa 1:0,5, vorzugsweise jedoch etwa 1:1. Somit liegen im Wesentlichen äquimolare Konzentrationen des Anions 102 und des Komplexes 104 vor, und damit auch äquimolare Konzentrationen des Anions 102, des Kations 108 und des Ethers 106. Mit im Wesentlichen äquimolar ist gemeint, dass, wenn das Anion 102 und der Komplex 104 nicht in genau äquimolaren Konzentrationen vorliegen, weniger als oder gleich etwa 10 % oder weniger als oder gleich etwa 5 % der Anionen 102 oder Komplexe 104 ungepaart sind. Dementsprechend kann die solvatisierte ionische Flüssigkeit im Wesentlichen frei von ungepaarten Anionen 102 oder Komplexen 104 sein. Wenn die Elektrolytzusammensetzung 100 eine Kombination von Ethern 106 und/oder Anionen 102 enthält, werden ihre jeweiligen Gesamtkonzentrationen bei der Bestimmung des molaren Verhältnisses Anion 102: Komplex 104 berücksichtigt.
• Die solvatisierte ionische Flüssigkeit bildet sich, wenn ein Salz, das das Kation 108 und das Anion 102 enthält, mit dem Ether 106 als Lösungsmittel kombiniert wird. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Salze sind Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LIFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumtrifluormethylsulfonat (LiTfO), Lithiumdifluoroborat (LiDFOB), Lithiumbis(oxalat)borat (LiBOB) und Kombinationen davon. Bei der Kombination wirken einsame bzw. freie Elektronenpaare an den Ethersauerstoffatomen als Lewis-Basen, wobei die Elektronen an die entsprechende LewisSäure, d.h. das Kation 108, abgegeben werden. Infolgedessen wird das Kation 108 durch den Ether 106 solvatisiert (d.h. chelatisiert), und der Komplex 104 wird gebildet. Der Komplex 104 paart sich mit dem Anion 102. 5 zeigt nicht-beschränkende beispielhafte Komplexe 104, bei denen die Kationen 108 alle Li⁺ und die Anionen 102 Monoglyme 120, Diglyme 122, Triglyme 124, Tetraglyme 126 und Pentaglyme 128 sind. Daher kann die Elektrolytzusammensetzung 100 mindestens einen Komplex 104 (d.h. einen Ether 106 oder eine Vielzahl verschiedener Ether 106, die mit dem Kation 108 komplexiert sind) und mindestens ein Anion 102 (d.h. ein Anion 102 oder eine Vielzahl verschiedener Anionen 102) enthalten. In bestimmten Aspekten umfasst der Komplex Monoglyme als Ether 106 (z.B. der Komplex 104, 120), besteht daraus oder besteht im Wesentlichen daraus. In bestimmten Aspekten umfasst der Komplex Diglyme als Ether 106 (z.B. der Komplex 104, 122), besteht daraus oder besteht im Wesentlichen daraus. In bestimmten Aspekten umfasst der Komplex Triglyme als Ether 106 (z.B. der Komplex 104, 124), besteht daraus oder besteht im Wesentlichen daraus. In bestimmten Aspekten umfasst der Komplex Tetraglyme als Ether 106 (z.B. der Komplex 104, 126), besteht daraus oder besteht im Wesentlichen daraus. In bestimmten Aspekten umfasst der Komplex Pentaglyme als Ether 106 (z.B. der Komplex 104, 128), besteht daraus oder besteht im Wesentlichen daraus. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „besteht im Wesentlichen aus“, dass keine anderen Komponenten absichtlich enthalten sind, sondern als unvermeidbare Verunreinigungen in Konzentrationen von weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des beschriebenen Elements (z.B. des Ethers 106), vorhanden sein können.
• Zurück zu 4: Das Verdünnungsmittel 110 ist ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel, das für die nicht entflammbaren Eigenschaften sorgt und die Konzentration der solvatisierten ionischen Flüssigkeit in der Elektrolytzusammensetzung verdünnt, so dass mit zunehmender Konzentration des Verdünnungsmittels 110 in der Elektrolytzusammensetzung 100 die Konzentration der solvatisierten ionischen Flüssigkeit abnimmt. Dementsprechend sind die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel 110 in der Elektrolytzusammensetzung 100 in einem Volumenverhältnis von etwa 1:10 bis etwa 5:1 oder von etwa 0,5:1 bis etwa 1:1 vorhanden. In bestimmten Aspekten wird das Verdünnungsmittel 110 zu der solvatisierten ionischen Flüssigkeit hinzugefügt, um eine Konzentration von Li⁺ von mehr als oder gleich etwa 0,5 M bis weniger als oder gleich etwa 2 M oder mehr als oder gleich etwa 0,8 M bis weniger als oder gleich etwa 1,2 M zu erhalten. Als nicht einschränkendes Beispiel hat die solvatisierte ionische Flüssigkeit Li(G3)TFSI eine Konzentration von 3,06 M, die durch Zugabe des Verdünnungsmittels 110 auf z.B. 1,2 M verringert werden kann.
• Das phosphorhaltige Flammschutzverdünnungsmittel 110 ist mindestens ein Phosphat, ein Phosphit und/oder ein Phosphonat mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20. Nicht einschränkende Beispiele für das Phosphat sind Triethylphosphat, Trimethylphosphat, Tributylphosphat, Triphenylphosphat, Phosphazen, Diphenyloctylphosphat, Tris(2,2,2-trifluorethyl)phosphat und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele für das Phosphit sind Triethylphosphit, Trimethylphosphit, Tributylphosphit, Triphenylphosphit und Kombinationen davon. Nicht einschränkende Beispiele für Phosphonate sind Bis(2,2,2-trifluorethyl)methylphosphonat, Diethylphosphonat, Diethylethylphosphonat und Kombinationen davon.
• In einigen Aspekten kann die Elektrolytzusammensetzung 100 außerdem ein Festkörperelektrolyt-Grenzflächenadditiv (SEI-Additiv) enthalten, das geeignet ist, beispielsweise zur Bildung einer Festkörperelektrolyt-Grenzfläche auf einer Anode, einschließlich der Anode 22 der elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3, beizutragen. Als nicht einschränkende Beispiele kann das SEI-Additiv sein Vinylencarbonat (VC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylethylencarbonat (VEC), Butylencarbonat (BC), Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PS), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumdifluoroborat (LiDFOB), Lithiumbis(oxalat)borat (LiBOB) oder Kombinationen davon. Das SEI-Additiv kann in der Elektrolytzusammensetzung 100 in einer Konzentration von mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% oder mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytzusammensetzung 100, enthalten sein.
• In verschiedenen Aspekten ist die Elektrolytzusammensetzung 100 im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln, die keine solvatisierten ionischen Flüssigkeiten sind, wie z.B. wässrige und anorganische Lösungsmittel und organische Lösungsmittel, die keine solvatisierten ionischen Flüssigkeiten sind. Mit „im Wesentlichen frei“ ist gemeint, dass andere nicht-solvatisierte ionische flüssige Lösungsmittel nur als unvermeidbare Verunreinigungen in einer Konzentration von weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrolytzusammensetzung 100, vorhanden sind. Dementsprechend kann eine flüssige Komponente der Elektrolytzusammensetzung 100, d.h. die Lösungsmittel, mindestens eine solvatisierte ionische Flüssigkeit (wie hier beschrieben) und mindestens ein Verdünnungsmittel 110 umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Außerdem kann die Elektrolytzusammensetzung 100 mindestens eine solvatisierte ionische Flüssigkeit (wie hier beschrieben), mindestens ein Verdünnungsmittel 110 und optional mindestens ein SEI-Additiv umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“, dass keine anderen Komponenten absichtlich enthalten sind, sondern als unvermeidbare Verunreinigungen in Konzentrationen von weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des beschriebenen Elements (z.B. des Lösungsmittels oder der Elektrolytzusammensetzung 100), vorhanden sein können.
• Die Elektrolytzusammensetzung 100 kann als Flüssigkeit mindestens eine der folgenden sein: (1) der Elektrolyt der in 1 dargestellten elektrochemischen Zelle 20a; (2) der flüssige Zusatzelektrolyt 32 (Anolyt), der die negativen elektroaktiven Teilchen 24 der elektrochemischen Zellen 20a, 20b der 1 und 2 berührt oder beschichtet; (3) der flüssige Zusatzelektrolyt 32, der die positiven elektroaktiven Teilchen 28 (Katholyt) der elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3 berührt oder beschichtet; (4) die Elektrolytzusammensetzung 100, die die Festkörperteilchen 34 des Zusatzelektrolyten 30 in den elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3 berührt oder beschichtet; oder (5) die Elektrolytzusammensetzung 100, die die Festkörperteilchen 34 des Festkörperelektrolyten 46 der elektrochemischen Zellen 20b, 20c der 2-3 berührt oder beschichtet.
• Wie in 6 gezeigt, stellt die vorliegende Technologie auch die Elektrolytzusammensetzung 100 in Form eines Elektrolytgels 150 bereit, in dem die Elektrolytzusammensetzung 100, einschließlich der solvatisierten ionischen Flüssigkeit, des Verdünnungsmittels und des optionalen SEI-Additivs, in eine Polymermatrix 152 eingebettet ist, die ein Polymer umfasst. Die Polymermatrix 152 kann eine Gelmembran mit einer ersten Oberfläche 154 und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 152 bilden. Alle Eigenschaften der Elektrolytzusammensetzung 100, mit Ausnahme der Viskosität, bleiben in dem Elektrolytgel 150 erhalten.
• Das Elektrolytgel 150 enthält das Polymer in einer Konzentration von mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%, mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolytgels, oder mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolytgels. Als nicht einschränkende Beispiele kann das Polymer sein Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Kombinationen davon. Als nicht einschränkendes Beispiel zeigt 7 eine Gelmembran mit 10 Gew.-% PVDF-HFP.
• Das Elektrolytgel 150 kann als Separator 36 der in 1 gezeigten elektrochemischen Zelle 20a verwendet werden, oder das Elektrolytgel 150 kann ein Gel-Zusatzelektrolyt sein, der elektroaktive Teilchen beschichtet. 8A zeigt beispielsweise eines der negativen elektroaktiven Teilchen 24, das mit dem Gel-Zusatz-elektrolyten 32 (Anolyt) der elektrochemischen Zellen 20a, 20b der 1 und 2 beschichtet ist, wobei der Gel-Zusatzelektrolyt 32 das Elektrolytgel 150 ist. 8B zeigt eines der positiven elektroaktiven Teilchen 28, das mit dem Gel-Zusatzelektrolyten 32 (Katholyt) der elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3 beschichtet ist, wobei der Gel-Zusatzelektrolyt 32 das Elektrolytgel 150 ist. 8C zeigt eines der Festkörperteilchen 34 des Zusatzelektrolyten 30 in den elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3 oder des Festkörperelektrolyten 46 der elektrochemischen Zellen 20b, 20c der 2-3. So kann zumindest ein Teil (einschließlich einiger oder aller) der elektroaktiven Teilchen 24, 28 und/oder der Festkörperteilchen 34 mit dem Elektrolytgel 150 in jeder der elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c beschichtet werden.
• Die vorliegende Technologie stellt auch ein Verfahren zur Herstellung des Elektrolytgels 150 bereit. Das Verfahren umfasst die Bildung einer Vorläuferlösung durch Kombination eines Lithiumsalzes (wie oben beschrieben), eines Ethers (d.h. des Ethers 106), eines Verdünnungsmittels (d.h. des Verdünnungsmittels 110) und optional eines SEI-Additivs mit einem Ether (d.h. dem Ether 106) und einem Opferlösungsmittel. In bestimmten Aspekten ist das Opferlösungsmittel ein aprotisches Lösungsmittel (polar oder unpolar) mit einem niedrigen Siedepunkt, z.B. unter etwa 150 °C, wie Dimethylcarbonat (DMC), Tetrahydrofuran (THF), Dichlormethan, Ethylacetat, Aceton, N,N-Dimethylformamid (DMF), Acetonitril (MeCN), Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Kombinationen davon, als nicht einschränkende Beispiele. Das Lithiumsalz, der Ether, das Verdünnungsmittel und das optionale SEI-Additiv sind in den hier beschriebenen Konzentrationen und/oder Verhältnissen enthalten. Das Opferlösungsmittel ist in einem Gewichtsverhältnis von mehr als oder gleich etwa 100 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 300 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Vorläuferlösung, enthalten. Das Verfahren umfasst dann das Gießen der Vorläuferlösung auf ein Substrat, wie z.B. eine temporäre flache Oberfläche, eine Elektrode (z.B. die negative und/oder positive Elektrode 22, 26 der 1-3), einen Festkörperelektrolyten (z.B. den Festkörperelektrolyten 46 der 2-3), elektroaktive Teilchen (z.B. die elektroaktiven Teilchen 24, 28 der 1-3) oder Festkörperelektrolytteilchen (z.B. die Festkörperelektrolytteilchen 34 der 1-3). Das Gießen kann durch jedes in der Technik bekanntes Verfahren erfolgen, einschließlich durch Tropfen, Gießen, Pipettieren, Rakeln, Schleudergießen, Eintauchen (d.h. Untertauchen) und dergleichen. Das Verfahren umfasst dann das Entfernen des Opferlösungsmittels zur Bildung des Elektrolytgels 150, beispielsweise durch Verdampfen des Opferlösungsmittels. Das Verdampfen kann durch Erhitzen auf eine Temperatur größer oder gleich etwa 25 °C bis kleiner oder gleich etwa 150 °C erleichtert werden, vorausgesetzt, die Temperatur ist niedriger als die Siedepunkte des Verdünnungsmittels und des Ethers. Handelt es sich bei dem Substrat um eine vorübergehend flache Oberfläche, kann das Elektrolytgel 150 von der Oberfläche entfernt und isoliert werden.
• Die vorliegende Technologie stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, wie die elektrochemischen Zellen 20a, 20b, 20c der 1-3, bereit. Das Verfahren umfasst das Inkontaktbringen der oben beschriebenen Elektrolytzusammensetzung 100 als Flüssigkeit oder als Elektrolytgel 150 mit mindestens einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem polymeren Separator oder einem Festkörperelektrolyten. Handelt es sich bei der Elektrolytzusammensetzung 100 um eine Flüssigkeit, so kann das Inkontaktbringen durch jedes in der Technik bekannte Verfahren erfolgen, einschließlich durch Tropfen, Gießen, Pipettieren, Rakeln, Schleudern, Eintauchen (d.h. Untertauchen) und dergleichen. Anschließend kann die elektrochemische Zelle zusammengebaut werden. Alternativ dazu wird die elektrochemische Zelle vormontiert und die flüssige Elektrolytzusammensetzung 100 als Elektrolyt in die elektrochemische Zelle eingebracht. Handelt es sich bei der Elektrolytzusammensetzung um das Elektrolytgel 150, so kann das Inkontaktbringen gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Elektrolytgels 150 oder durch Einbau des Elektrolytgels 150 in die elektrochemische Zelle, z.B. als Separator, durchgeführt werden.
• Ausführungsformen der vorliegenden Technologie werden anhand des folgenden nicht einschränkenden Beispiels näher erläutert.
• Beispiel
• Eine solvatisierte ionische Flüssigkeit bzw. ionische Solvatflüssigkeit wird hergestellt, indem LiTFSI mit Triglyme (G3) in einem Molverhältnis von etwa 1:1 kombiniert wird, um eine solvatisierte ionische Flüssigkeit (Li(G3)TFSI) zu bilden. Elektrolytproben werden durch Verdünnen der solvatisierten ionischen Flüssigkeit mit einer Reihe von Verdünnungsmitteln hergestellt, um eine Lithiumionenkonzentration von etwa 1,2 M zu erreichen. Bei den Verdünnungsmitteln handelt es sich um Dimethylcarbonat (mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,1), Acetonitril (mit einer Dielektrizitätskonstante von 37,5), Ethylacetat (mit einer Dielektrizitätskonstante von 6) und Triethylphosphat (mit einer Dielektrizitätskonstante von 13,01, und gemäß der vorliegenden Technologie). Elektrochemische Zellen mit einer positiven Lithium-Manganoxid (LMO)-Elektrode (Kathode), einer negativen Lithium-Titanoxid (LTO)-Elektrode (Anode), einem Separator mit PP und PE (Celgard) und einer der Elektrolytproben werden zusammengebaut. Die elektrochemischen Zellen werden etwa 100 Lade-/Entladezyklen bei 1C unterzogen und auf ihre jeweilige Kapazitätserhaltung hin untersucht. Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt, einem Diagramm mit einer y-Achse 160, die die Kapazitätserhaltung (%) darstellt, und einer x-Achse 162, die die Zyklusanzahl angibt. Eine Basiskurve 164 (Kontrolle) stellt das Li(G3)TFSI ohne Verdünnungsmittel dar. Eine erste Kurve 166 stellt die elektrochemische Zelle mit dem Dimethylcarbonat-Verdünnungsmittel im Li(G3)TFSI-Elektrolyten dar, eine zweite Kurve 168 stellt die elektrochemische Zelle mit dem Acetonitril-Verdünnungsmittel im Li(G3)TFSI-Elektrolyten dar, eine dritte Kurve 170 stellt die elektrochemische Zelle mit dem Ethylacetat-Verdünnungsmittel im Li(G3)TFSI-Elektrolyten dar, und eine vierte Kurve 172 stellt die elektrochemische Zelle mit dem Triethylphosphat-Verdünnungsmittel im Li(G3)TFSI-Elektrolyten (gemäß der vorliegenden Technologie) dar. Die vierte Kurve 172 zeigt, dass der Elektrolyt gemäß der vorliegenden Technologie nach etwa 100 Zyklen mehr als 95 % seiner ursprünglichen Kapazität beibehielt.
• Eine solvatisierte ionische Flüssigkeit bzw. ionische Solvatflüssigkeit wird hergestellt, indem LiTFSI mit Triglyme (G3) in einem Molverhältnis von etwa 1:1 kombiniert wird, um eine solvatisierte ionische Flüssigkeit (Li(G3)TFSI) zu bilden. Elektrolytproben werden durch Verdünnen der solvatisierten ionischen Flüssigkeit mit Triethylphosphat hergestellt, um eine erste Probe mit einer Lithiumionenkonzentration von etwa 1,2 M und eine zweite Probe mit einer Lithiumionenkonzentration von etwa 1 M zu erhalten. Eine Basislinienkontrolle umfasst das Li(G3)TFSI ohne Verdünnungsmittel. Elektrochemische Zellen mit einer positiven Lithium-Manganoxid (LMO)-Elektrode (Kathode), einer negativen Lithium-Titanoxid (LTO)-Elektrode (Anode), einem Separator mit PP und PE (Celgard) und einer der Elektrolytproben werden zusammengebaut. Die elektrochemischen Zellen werden durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) analysiert. 10 ist ein Nyquist-Diagramm, das aus der EIS bei 25 °C gewonnen wurde. Das Nyquist-Diagramm hat eine y-Achse 174, die einen Imaginärteil der Impedanz ((Z'')/Ω) darstellt, und eine x-Achse 176, die einen Realteil der Impedanz ((Z')/Ω) darstellt. Das Nyquist-Diagramm enthält eine erste Kurve 178, die die elektrochemische Zelle mit dem Basislinien-Kontrollelektrolyten ohne Verdünnungsmittel darstellt (mit einer Impedanz von 8,22 Ω und einer Ionenleitfähigkeit von 1,48 mS/cm), eine zweite Kurve 180, die die elektrochemische Zelle mit 1,2 M Li⁺ in dem mit Triethylphosphat verdünnten Li(G3)TFSI darstellt (Probe 2; mit einer Impedanz von 2,06 Ω und einer Ionenleitfähigkeit von 5,91 mS/cm), und eine dritte Kurve 182, die die elektrochemische Zelle mit 1 M Li⁺ in dem mit Triethylphosphat verdünnten Li(G3)TFSI darstellt (Probe 3; mit einer Impedanz von 1,9 Ω und einer lonenleitfähigkeit von 6,41 mS/cm). Das Nyquist-Diagramm zeigt, dass die Ionenleitfähigkeit mit steigender Triethylphosphatkonzentration (und sinkender Li⁺ Konzentration) zunimmt.
• 11A, 11B und 11C sind Fotografien der Elektrolytzusammensetzung mit Li(G3)TFSI, verdünnt mit Triethylphosphat bis zu einer Endkonzentration von Li⁺ von 1,2 M, vor dem Kontakt mit einer Flamme, während eines 30-sekündigen Kontakts mit einer Flamme bzw. unmittelbar nach dem 30-sekündigen Kontakt mit der Flamme. Diese Fotos zeigen, dass die Elektrolytzusammensetzung aufgrund des Flammschutzmittels Triethylphosphat (TEP) nicht entflammbar ist.
• Der Basislinien-Kontrollelektrolyt (unverdünntes Li(G3)TFSI), Probe 1 (Li(G3)TFSI-TEP, 1,2 M Li⁺) und Probe 2 (Li(G3)TFSI-TEP, 1 M Li⁺) werden Lade-/Entladezyklen unterzogen und auf ihre jeweilige Kapazitätserhaltung untersucht. Die Ergebnisse sind in 12 dargestellt, einem Balkendiagramm mit einer y-Achse 184, die die Kapazitätserhaltung (%) darstellt, und einer x-Achse 186, die die C-Rate (C) darstellt. Die Balken 188 entsprechen der elektrochemischen Zelle mit dem Basislinien-Kontrollelektrolyten, die Balken 190 entsprechen der elektrochemischen Zelle mit dem Probe-1-Elektrolyten (Li(G3)TFSI-TEP, 1,2 M Li⁺), und die Balken 192 entsprechen der elektrochemischen Zelle mit dem Probe-2-Elektrolyten (Li(G3)TFSI-TEP, 1 M Li⁺). Die in dem Diagramm dargestellten Ergebnisse zeigen, dass das Verdünnungsmittel TEP die Kapazitätserhaltung (Ratenfähigkeit) in den beiden Proben 1 und 2 im Vergleich zur elektrochemischen Zelle mit dem Basislinien-Kontrollelektrolyten verbessert. Bei 5C und 10C hatte der Elektrolyt der Probe 2 eine leicht verbesserte Kapazitätserhaltung (Ratenfähigkeit) im Vergleich zum Elektrolyten der Probe 1.
• Die Zyklusleistung der elektrochemischen Zellen mit den Elektrolyten aus Probe 1 und Probe 2 wurde außerdem über 200 Lade-/Entladezyklen bei 1C bestimmt. Die Ergebnisse sind in 13 dargestellt, einem Diagramm mit einer y-Achse 194, die die Kapazitätserhaltung (%) darstellt, und einer x-Achse 196, die die Zyklusanzahl angibt. Eine erste Kurve 198 entspricht der elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten der Probe 1 (Li(G3)TFSI-TEP, 1,2 M Li⁺), und eine zweite Kurve 200 entspricht der elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten der Probe 2 (Li(G3)TFSI-TEP, 1 M Li⁺). Die in dem Diagramm dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die elektrochemische Zelle mit dem Elektrolyten der Probe 1 (Li(G3)TFSI-TEP, 1,2 M Li⁺) nach 200 Zyklen mehr als 95 % ihrer ursprünglichen Kapazität beibehält. Die Kapazitätserhaltung der elektrochemischen Zelle mit dem Elektrolyten der Probe 2 (Li(G3)TFSI-TEP, 1 M Li⁺) nimmt nach etwa 160 Zyklen leicht ab.
• Die in den 12 und 13 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Konzentration des Verdünnungsmittels in der Elektrolytzusammensetzung der vorliegenden Technologie ein Gleichgewicht zwischen Entladeleistung und Zyklusleistung erreicht wird.
• Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims (10)

1. Elektrolytzusammensetzung, umfassend: eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Komplex aus einem Ether und einem Kation; und ein Verdünnungsmittel, das ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält.
2. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei: das Anion der solvatisierten ionischen Flüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI-), Bis(pentafluoroethansulfonyl)imid (BETI-), Hexafluorophosphat (PF₆ ^-), Tetrafluoroborat (BF₄ ^-), Trifluormethylsulfonat (TfO^-), Difluoroborat (DFOB^-), Bis(oxalat)borat (BOB^-) und einer Kombination daraus; der Ether ein Oligoether mit der Formel CH₃O-(CH₂CH₂O)_n-CH₃ ist, wobei 1 ≤ n ≤ 10; und das Kation Li⁺ ist.
3. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Verdünnungsmittel mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: ein Phosphat-Flammschutzmittel, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Triethylphosphat, Trimethylphosphat, Tributylphosphat, Triphenylphosphat, Phosphazen, Diphenyloctylphosphat, Tris(2,2,2-trifluorethyl)phosphat und einer Kombination daraus, ein Phosphit-Flammschutzmittel, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Triethylphosphit, Trimethylphosphit, Tributylphosphit, Triphenylphosphit und einer Kombination davon, oder ein Phosphonat-Flammschutzmittel, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bis(2.2.2.-trifluorethyl)methylphosphonat, Diethylphosphonat, Diethylethylphosphonat und einer Kombination daraus.
4. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel in einem Verhältnis von solvatisierter ionischer Flüssigkeit zu Verdünnungsmittel von etwa 1:10 bis etwa 5:1 nach Volumen vorhanden sind.
5. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die solvatisierte ionische Flüssigkeit ein molares Verhältnis von Anion:Komplex von etwa 1:1 aufweist.
6. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Festelektrolyt-Grenzflächenadditiv.
7. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytzusammensetzung im Wesentlichen frei von Lösungsmitteln ist, die keine ionischen Flüssigkeiten oder solvatisierten ionischen Flüssigkeiten sind.
8. Elektrolytzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die solvatisierte ionische Flüssigkeit und das Verdünnungsmittel in ein Polymer eingebettet sind, wobei das Polymer eine Konzentration von mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der solvatisierten ionischen Flüssigkeit und des Polymers, aufweist, und wobei die Elektrolytzusammensetzung ein Gelelektrolyt ist.
9. Elektrochemische Zelle, die die Elektrolytzusammensetzung gemäß Anspruch 1 enthält.
10. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Inkontaktbringen einer Elektrolytzusammensetzung mit einer positiven Elektrode und/oder einer negativen Elektrode oder mit einem polymeren Separator oder einem Festkörperelektrolyten, wobei die Elektrolytzusammensetzung umfasst: eine solvatisierte ionische Flüssigkeit mit einem Anion und einem Komplex aus einem Ether und einem Kation; und ein Verdünnungsmittel, das ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als oder gleich etwa 20 enthält.

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