DE102022110691A1 - Elektrolyte für elektrochemische zellen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt ein Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Elektrolytsystem kann ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthalten. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln kann ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das erste Lösungsmittel kann ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Das zweite Lösungsmittel kann einen fluorierten Ether enthalten. Das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz zu dem ersten Lösungsmittel kann größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein. Das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel kann größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische elektrochemische Zellen von Sekundär-Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator angeordnet sein. Der Separator enthält einen Elektrolyten, der in bestimmten Fällen auch in einer oder beiden Elektroden vorhanden sein kann. Die Elektrolyte enthalten im Allgemeinen ein Lithiumsalz, das in einem oder mehreren aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst oder dispergiert ist. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf Elektrolyte für elektrochemische Zellen und auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Die Elektrolyte können aprotische Flüssigelektrolyte sein. Die elektrochemischen Zellen können in Sekundär-Lithiummetall-Batterien enthalten sein, z.B. in Lithium-NMC-Batterien und/oder Lithium-Schwefel-Batterien.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Elektrolytsystem kann ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthalten. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln kann ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das erste Lösungsmittel kann ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Das zweite Lösungsmittel kann einen fluorierten Ether enthalten.
  • In einem Aspekt kann das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalzes zum ersten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel ein Kettenether sein, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel ein zyklischer Ether sein, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Carbonatlösungsmittel ein zyklisches Carbonat sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Carbonatlösungsmittel ein lineares Carbonat sein, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Carbonatlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das fluorierte zyklische Carbonat aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluor-propylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Separator und ein Elektrolytsystem umfassen, das innerhalb der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode und/oder des Separators angeordnet ist. Die erste Elektrode kann ein erstes elektroaktives Material enthalten. Die zweite Elektrode kann ein zweites elektroaktives Material enthalten. Das Elektrolytsystem kann ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthalten. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln kann ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das erste Lösungsmittel kann ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Das zweite Lösungsmittel kann einen fluorierten Ether enthalten.
  • In einem Aspekt kann das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material ein positives elektroaktives Material mit hohem Nickelgehalt sein, das durch NixMnyCozO2 repräsentiert wird, wobei x, y und z alle ≤ 1 sind und x + y + z = 1.
  • In einem Aspekt kann das erste elektroaktive Material ein schwefelhaltiges positives elektroaktives Material sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Schwefel (S), Schwefel-Selen (S-Se), Schwefel-Silicium (S-Si), Schwefel-Polyacrylnitril (S-PAN) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das zweite elektroaktive Material ein Lithiummetall enthalten.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalzes zum ersten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon, das Carbonatlösungsmittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon, und der fluorierte Ether kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Elektrolytsystem kann ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthalten. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln kann ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel kann größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein. Das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz zu dem ersten Lösungsmittel kann größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein. Das erste Lösungsmittel kann ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Das zweite Lösungsmittel kann ein fluorierter Ether sein.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Elektrolytsystem besteht im Wesentlichen aus einem aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch organischer Lösungsmittel, wobei das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon, wobei das erste Lösungsmittel ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln ist und das zweite Lösungsmittel ein fluorierter Ether ist.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalzes zum ersten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon, das Carbonatlösungsmittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon, und der fluorierte Ether kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiummetall zyklisch bewegt. Das Elektrolytsystem besteht aus einem aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch organischer Lösungsmittel, wobei das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon, wobei das erste Lösungsmittel ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln ist und das zweite Lösungsmittel ein fluorierter Ether ist.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1 bis kleiner oder gleich etwa 1:4 sein.
  • In einem Aspekt kann das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalzes zum ersten Lösungsmittel größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 sein.
  • In einem Aspekt kann das Etherlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon, das Carbonatlösungsmittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon, und der fluorierte Ether kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
  • 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 beschriebene Zeichnung dient nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und soll den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle.
  • 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 Figuren 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 beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf Elektrolyte für elektrochemische Zellen und auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Die Elektrolyte können aprotische Flüssigelektrolyte sein. Die elektrochemischen Zellen können in Sekundär-Lithiummetall-Batterien enthalten sein, z.B. in Lithium-NMC-Batterien und/oder Lithium-Schwefel-Batterien).
  • In verschiedenen Aspekten umfasst das Elektrolytsystem ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einer Mischung organischer Lösungsmittel. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln kann ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das erste Lösungsmittel kann ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Das zweite Lösungsmittel kann einen fluorierten Ether enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten besteht das Elektrolytsystem im Wesentlichen aus einem aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch organischer Lösungsmittel, wobei das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon, wobei das erste Lösungsmittel ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln ist und das zweite Lösungsmittel ein fluorierter Ether ist.
  • In verschiedenen Aspekten besteht das Elektrolytsystem aus einem aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch organischer Lösungsmittel, wobei das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon, wobei das erste Lösungsmittel ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln ist und das zweite Lösungsmittel ein fluorierter Ether ist.
  • Eine typische Lithiummetall-Batterie umfasst eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode oder Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Elektrode oder Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Lithiummetall-Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiummetall-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. 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. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in flüssiger, gelartiger oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt.
  • Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
  • Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann.
  • Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angebracht sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, 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 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von metallischem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann genutzt und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis die positive Elektrode 24 bei der gewählten Entladespannung nicht mehr in der Lage ist, mehr Lithium aufzunehmen oder zu absorbieren, und die Kapazität der Batterie 20 nachgelassen hat.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. abgeschiedenem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
  • In vielen Konfigurationen der Lithiummetall-Batterie werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Semi-Festkörperbatterien, die sowohl einen Flüssigelektrolyten 30 als auch Festkörperelektrolyte (z.B. elektroaktive Festkörperteilchen) enthalten, die einen anderen Aufbau haben können, wie Fachleuten bekannt ist.
  • Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiummetall-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Wie im Folgenden näher erläutert, ermöglicht der Elektrolyt 30 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine hohe Energie und eine lange Zykluslebensdauer der Batterie 20.
  • In verschiedenen Aspekten ist der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes oder dispergiertes Lithiumsalz enthält. Das Lithiumsalz kann ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz sein. Das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz kann ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten enthält das Gemisch organischer Lösungsmittel ein oder mehrere Co-Lösungsmittel. Das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln enthält beispielsweise ein erstes und ein zweites Lösungsmittel. Das erste Lösungsmittel kann Etherlösungsmittel, Carbonatlösungsmittel oder eine Mischung aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln enthalten. Die Etherlösungsmittel können Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan) und/oder zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) umfassen. Die Carbonatlösungsmittel können zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)) und/oder lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)) umfassen. Das zweite Lösungsmittel kann fluorierte Ether enthalten, wie z.B. Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
  • Das Gemisch organischer Lösungsmittel kann ein Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel enthalten, das größer als oder gleich etwa 1:1 bis kleiner als oder gleich etwa 1:4 ist. Das Gemisch der organischen Lösungsmittel kann ein Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel von größer oder gleich 1:1 bis kleiner oder gleich 1:4 aufweisen. In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 30 ein Molverhältnis des Lithiumsalzes zu dem ersten Co-Lösungsmittel aufweisen, das größer oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner oder gleich etwa 1:2 ist. Der Elektrolyt 30 kann ein Molverhältnis zwischen dem Lithiumsalz und dem ersten Co-Lösungsmittel aufweisen, das größer als oder gleich 1:1,2 bis kleiner als oder gleich 1:2 ist.
  • Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der 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. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
  • Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die gewünschte poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem ein keramisches Materiali und/oder ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
  • Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm. Der Separator 26 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm haben.
  • Die negative Elektrode 22 ist aus einem Wirtsmaterial gebildet, das in der Lage ist, als negativer Anschluss der Batterie 20 zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (mit der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die negative Elektrode 22 (mit der einen oder mehreren Schichten) kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetallfolie oder Lithiummetallpulver. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode aus einem Film oder einer Schicht aus Lithiummetall bestehen. In bestimmten Variationen kann das oder können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 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 kann das oder können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional vermischt werden mit Bindemitteln wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des/der elektronisch leitenden Materials/Materialien; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des/der elektronisch leitenden Materials/Materialien; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein (nicht gezeigt). Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. Die positive Elektrode 24 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die positive Elektrode 24 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm.
  • Eine beispielhafte gemeinsame Klasse von bekannten Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie Lithium-Manganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (NMC) (z.B. LiMn1,5Ni0,5O4); ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1) (z.B. LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M Al, Mg, Ti oder dergleichen sein kann); oder ein Lithium-Eisenpolyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) (LFP), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3) (LMFP) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F).
  • In anderen Fällen, zum Beispiel bei einer Lithium-Schwefel-Batterie, enthält die positive Elektrode 24 ein schwefelhaltiges positives elektroaktives Material. Das schwefelhaltige positive elektroaktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Schwefel (S), Schwefel-Selen (S-Se), Schwefel-Silicium (S-Si), Schwefel-Polyacrylnitril (S-PAN) und Kombinationen davon. In solchen Fällen kann die positive Elektrode 24 auch ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen positiven elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten. Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich 90 Gew.-% des schwefelhaltigen positiven elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% des schwefelhaltigen Wirtsmaterials enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann das Schwefel-Wirtsmaterial ein Wirtsmaterial auf Kohlenstoffbasis sein, das nur zum Beispiel umfasst Kohlenstoff-Nanoröhrchen, amorphen Kohlenstoff (z.B. Ruß, wie KETJENBLACKO), porösen Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoffkugeln, Kohlenstoff-Nanokäfig, Graphen, Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, dotierten Kohlenstoff (z.B. N-dotierte Kohlenstoff-Nanoröhren) und Hybride und Ähnliches. In bestimmten Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial ein leitfähiges Polymer sein, das nur zum Beispiel umfasst Polyanilin (PAN), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (Pt), Polyanilin (PAni), Poly(3,4-ethylendioxythiophen:Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) und dergleichen. In anderen Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial ein Wirtsmaterial auf Metalloxidbasis sein, das nur z.B. umfasst TiO2, SiO2, CoS2, Ti4O7, CeO2, MoO3, V2O5, SnO2 und dergleichen; einen Wirt auf Metallsulfidbasis, der nur zum Beispiel umfasst Ni3S2, MoS2, FeS, VS2, TiS2, TiS, CoS2, CosS8, NbS und dergleichen; einen Wirt auf Metallnitridbasis, der nur beispielsweise umfasst VN, TiN, Ni2N, CrN, ZrN, NbN und dergleichen; einen Wirt auf Metallkarbidbasis, der nur zum Beispiel TiC, Ti2C, B4C und dergleichen umfasst; einen Wirt auf Basis eines metallorganischen Gerüsts (MOF), einschließlich, nur zum Beispiel, Ni-basierter-MOFs, Ce-basierter-MOFs und dergleichen; und Hybride oder Kombinationen davon (z.B. Polypyrrol/Graphen, Vanadiumnitrid/Graphen und dergleichen). In noch anderen Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial MgB2, TiCl2, Phosphoren, C3B, Li4TisOi2 und dergleichen umfassen. Solche Schwefel-Wirtsmaterialien können den Elektronentransfer an der Schwefel/Wirt-Grenzfläche verbessern, volumetrische Änderungen innerhalb der Zelle 20 aufnehmen, Polysulfid-Shuttles minimieren und/oder Umwandlungen zwischen Polysulfid-Zwischenprodukten fördern.
  • In jedem Fall kann das positive elektroaktive Material bzw. können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 optional mit einem elektronisch leitenden Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial bereitstellt, das die strukturelle Integrität der Elektrode 24 verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 optional mit Bindemitteln vermischt werden (z.B. im Schlickerguss), wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KET-JEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des/der elektronisch leitenden Materials/Materialien; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des/der elektronisch leitenden Materials/Materialien; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • 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. Elektrolytsystem für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei das Elektrolytsystem umfasst: ein aliphatisches fluoriertes Disulfonimid-Lithiumsalz in einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln, wobei das Gemisch aus organischen Lösungsmitteln ein erstes Lösungsmittel und ein zweites Lösungsmittel umfasst, wobei das erste Lösungsmittel ein Etherlösungsmittel, ein Carbonatlösungsmittel oder ein Gemisch aus Ether- und Carbonatlösungsmitteln umfasst, und wobei das zweite Lösungsmittel einen fluorierten Ether umfasst.
  2. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das aliphatische fluorierte Disulfonimid-Lithiumsalz aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid, Lithium(fluorsulfonyl)(trifluormethansulfonyl)imid) und Kombinationen davon.
  3. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Molverhältnis des aliphatischen fluorierten Disulfonimid-Lithiumsalzes zum ersten Lösungsmittel größer als oder gleich etwa 1:1,2 bis kleiner als oder gleich etwa 1:2 ist, und wobei das Molverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel größer als oder gleich etwa 1:1 bis kleiner als oder gleich etwa 1:4 ist.
  4. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Etherlösungsmittel ein Kettenether ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und Kombinationen davon.
  5. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Etherlösungsmittel ein zyklischer Ether ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon.
  6. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei der Ether aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran und Kombinationen davon.
  7. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Carbonatlösungsmittel ein zyklisches Carbonat ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC) und Kombinationen davon.
  8. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Carbonatlösungsmittel ein lineares Carbonat ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
  9. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei das Carbonatlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon.
  10. Elektrolytsystem nach Anspruch 1, wobei der fluorierte Ether aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (TTE), 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether, 1,1,2,3,3,3-Hexafluoropropyl-2,2,2-trifluorethylether und Kombinationen davon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10707530B2 (en) 2017-08-15 2020-07-07 GM Global Technology Operations LLC Carbonate-based electrolyte system improving or supporting efficiency of electrochemical cells having lithium-containing anodes
US10566652B2 (en) 2017-08-15 2020-02-18 GM Global Technology Operations LLC Lithium metal battery with hybrid electrolyte system
WO2020131175A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-25 Battelle Memorial Institute High efficiency electrolytes for high voltage battery systems
US11735776B2 (en) 2021-08-26 2023-08-22 GM Global Technology Operations LLC Electrolytes for electrochemical cells

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11735776B2 (en) 2021-08-26 2023-08-22 GM Global Technology Operations LLC Electrolytes for electrochemical cells

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