DE102023101042A1

DE102023101042A1 - Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithium-ionen zyklisieren

Info

Publication number: DE102023101042A1
Application number: DE102023101042.5A
Authority: DE
Inventors: Meng Jiang; Chuanlong WANG; Xiaosong Huang; Jiazhi HU
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-02-08
Also published as: US20240047666A1; CN117525541A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle zur Verfügung, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle enthält eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht. Die erste Elektrode enthält einen Elektrolyten, der mit einem nickelreichen positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Die zweite Elektrode enthält auch den Elektrolyten und der Elektrolyt ist mit einem negativen elektroaktiven Material auf Siliziumbasis vermischt. Der Elektrolyt enthält einen Elektrolytzusatz und ein Lösungsmittelgemisch. Das Lösungsmittelgemisch enthält Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat. Der Elektrolytzusatz ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumdifluorphosphat, Ethylensulfat und Kombinationen davon.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung bereit, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Es besteht Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Batterien umfassen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten gefüllter Separator angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) enthalten, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physisch trennen, sodass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
Zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie können viele verschiedene Materialien verwendet werden. In verschiedenen Aspekten enthalten positive Elektroden beispielsweise nickelreiche elektroaktive Materialien (z. B. mit einem Stoffmengenanteil größer oder gleich etwa 0,8 am Übergangsmetallgitter), wie NMC (LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂) (wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,33, 0,01 ≤ y ≤ 0,33) oder NCMA (LiNi_1-x-y-zCo_xMn_yAl_zO₂) (wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08), die in der Lage sind, eine verbesserte Kapazität (z. B. mehr als 200 mAh/g) zu bieten und gleichzeitig eine zusätzliche Lithiumextraktion zu ermöglichen, ohne die strukturelle Stabilität der positiven Elektrode zu beeinträchtigen. Die negative Elektrode enthält in der Regel ein Lithiumeinlagerungsmaterial oder ein Legierungswirtsmaterial. Zu den typischen elektroaktiven Materialien für die Bildung einer Anode gehören beispielsweise Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silizium und Siliziumoxid, Zinn und Zinnlegierungen. Bestimmte Anodenmaterialien weisen besondere Vorteile auf. Während Graphit mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 372 mAh-g^-1 am häufigsten in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, verzeichnen Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität, beispielsweise mit hohen spezifischen Kapazitäten von etwa 900 mAh-g^-1 bis etwa 4.200 mAh-g^-1, wachsendes Interesse. Silizium hat zum Beispiel die höchste bekannte theoretische Kapazität für Lithium (z. B. etwa 4.200 mAh-g^-1), was es zu einem attraktiven Material für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien macht. Solche Materialien sind jedoch oft anfällig für eine enorme Volumenausdehnung während der Lithiierung und Delithiierung, was zur Pulverisierung der Partikel, zum Verlust des elektrischen Kontakts und zur Bildung einer instabilen Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) führen kann, was einen Zusammenbruch der Elektrode und ein Nachlassen der Kapazität zur Folge hat. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Materialien sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung zu entwickeln, die diesen Herausforderungen begegnen können.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Schutzumfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Elektrolytformulierungen und Elektrolytzusätze sowie elektrochemische Zellen, die diese enthalten. Die elektrochemischen Zellen mit den Elektrolytformulierungen können positive Elektroden mit einem nickelreichen elektroaktiven Material und negative Elektroden mit einem volumenvergrößernden negativen elektroaktiven Material, wie Silizium, enthalten.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine dazwischen liegende Trennschicht umfassen. Die erste Elektrode kann ein nickelreiches positives elektroaktives Material enthalten, das größer oder gleich etwa 80 % Nickel (Ni) enthält. Die zweite Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material auf Siliziumbasis enthalten. Die elektrochemische Zelle kann auch einen Elektrolyten enthalten, der mit dem nickelreichen positiven elektroaktiven Material und/oder dem negativen elektroaktiven Material auf Siliziumbasis in Kontakt ist. Der Elektrolyt kann größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% eines Elektrolytzusatzes enthalten, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus: Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), Ethylensulfat (DTD) und Kombinationen davon besteht.
In einem Aspekt enthält der Elektrolyt außerdem ein Lösungsmittelgemisch. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) enthalten.
In einem Aspekt kann das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 betragen.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem größer oder gleich etwa 0,5 Gew.- % bis kleiner oder gleich etwa 1,5 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem größer oder gleich etwa 0,5 Gew.- % bis kleiner oder gleich etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittelgemisch enthalten. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) enthalten, wobei ein Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 beträgt. Das Lösungsmittelgemisch kann auch etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) enthalten.
In einem Aspekt kann das nickelreiche positive elektroaktive Material dargestellt werden durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹ Nickel (Ni) einschließt und M², M³ und M⁴ Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht beinhalten. Die erste Elektrode kann einen Elektrolyten enthalten, der mit einem positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Das positive elektroaktive Material kann dargestellt werden durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹ Nickel (Ni) einschließt und M², M³ und M⁴ Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die zweite Elektrode kann auch den Elektrolyten enthalten und der Elektrolyt kann mit einem negativen elektroaktiven Material auf Siliziumbasis vermischt sein. Der Elektrolyt kann größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% eines Elektrolytzusatzes enthalten. Der Elektrolytzusatz kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), Ethylensulfat (DTD) und Kombinationen davon. Der Elektrolyt kann auch ein Lösungsmittelgemisch enthalten. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) enthalten.
In einem Aspekt kann das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 betragen.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem größer oder gleich etwa 0,5 Gew.- % bis kleiner oder gleich etwa 1,5 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt außerdem größer oder gleich etwa 0,5 Gew.- % bis kleiner oder gleich etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) enthalten.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht beinhalten. Die erste Elektrode kann einen Elektrolyten enthalten, der mit einem positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Das positive elektroaktive Material kann dargestellt werden durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹ Nickel (Ni) einschließt und M², M³ und M⁴ Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die zweite Elektrode kann auch den Elektrolyten enthalten und der Elektrolyt kann mit einem negativen elektroaktiven Material auf Siliziumbasis vermischt sein. Der Elektrolyt kann einen Elektrolytzusatz und ein Lösungsmittelgemisch enthalten. Der Elektrolytzusatz kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), Ethylensulfat (DTD) und Kombinationen davon. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Vinylencarbonat (VC) und Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten. Der Elektrolyt kann größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% eines Elektrolytzusatzes, größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1,5 Gew.-% Vinylenkarbonat (VC) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 2 Gew.-% Fluorethylenkarbonat (FEC) enthalten.
In einem Aspekt kann das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 betragen.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) enthalten.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) enthalten.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer Elektrolytformulierung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazitätserhaltung von Beispielzellen mit einer Elektrolytformulierung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 ist eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazitätserhaltung von Beispielzellen mit einer Elektrolytformulierung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ist eine grafische Darstellung, die die Kapazitätserhaltung von Beispielzellen mit einer Elektrolytformulierung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
5 ist eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazitätserhaltung von Beispielzellen mit einer Elektrolytformulierung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen die entsprechenden Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausführungsformen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Schutzumfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Schutzumfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Die hier verwendeten Singularformen „ein“, „eine“ und „die“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher beinhaltet die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Prozessschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Prozessschritten 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 Prozessschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Prozessschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Prozessschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausführungsform eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit diesem oder dieser „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit diesem oder dieser verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein 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, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste/r“, „zweite/r“ und andere nummerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin 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 veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, die etwa den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet sowohl, dass der aufgeführte Zahlenwert exakt oder genau ist, als auch, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, etwa oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „etwa“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional kleiner 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 Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie betrifft Elektrolytformulierungen und Elektrolytzusätze sowie elektrochemische Zellen, die diese enthalten. Solche Zellen können in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstungen und -möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstungen, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Obwohl die veranschaulichten Beispiele nachstehend eine einzelne positive Elektrode, Kathode und eine einzelne Anode im Detail beinhalten, wird der Fachmann erkennen, dass sich die vorliegenden Lehren auch 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 einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an diese angeordnet sind.
Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d. h. er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. In verschiedenen Aspekten kann der Separator 26 einen Elektrolyten 30 enthalten, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann, um ein kontinuierliches Elektrolytnetzwerk zu bilden. Bei bestimmten Varianten kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Der Separator 26 kann zum Beispiel durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln definiert sein. Im Fall von Festkörperbatterien und/oder halbfesten Batterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl von Festkörperelektrolytpartikeln sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromkollektor 32 (z. B. ein negativer Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 (die auch als negative elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann zusammen mit der negativen Elektrode 22 als negative Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann erkennen, dass bei bestimmten Varianten negative Elektroden 22 (auch als negative elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann erkennen, dass bei anderen Varianten eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des ersten Stromkollektors 32 und eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein kann. In jedem Fall kann der erste Stromkollektor 32 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder ein Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
Ein zweiter Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 (die auch als positive elektroaktive Materialschicht bezeichnet werden kann) angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 kann zusammen mit der positiven Elektrode 24 als eine positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl nicht veranschaulicht, wird der Fachmann erkennen, dass bei bestimmten Varianten positive Elektroden 24 (auch als positive elektroaktive Materialschichten bezeichnet) auf einer oder mehreren parallelen Seiten des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In ähnlicher Weise wird der Fachmann erkennen, dass bei anderen Varianten eine positive elektroaktive Materialschicht auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors 34 und eine negative elektroaktive Materialschicht auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors 34 angeordnet sein können. In jedem Fall kann der zweite Elektrodenstromkollektor 34 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -sieb oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können freie Elektronen sammeln und zu bzw. von einem externen Stromkreis 40 transportieren. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Verbrauchervorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden. Die Batterie 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein niedrigeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z. B. die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 in Richtung der positiven Elektrode 24 überführt. 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 interkaliertes Lithium zu bilden. Wie vorstehend 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 nutzbar gemacht und durch die Verbrauchervorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 verringert ist.
Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die beim Entladen der Batterie auftreten. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z. B. die nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, sodass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. So 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 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen der Batterie 20 verwendet werden kann, hängt von der Größe, der Bauweise und dem jeweiligen Verwendungszweck der Batterie 20 ab. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen beinhalten unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
In vielen Lithium-Ionen-Batteriekonfigurationen werden jeweils der erste Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z. B. mit einer Dicke von mehreren Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und zu elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung lieferndes Paket zu erhalten. Unter verschiedenen Gesichtspunkten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht abgebildet, aber dennoch dem Fachmann bekannt sind. Die Batterie 20 kann beispielsweise ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batteriepole und andere herkömmliche Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, einschließlich zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26. Die Batterie 20, die in 1 dargestellt ist, enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte für den Batteriebetrieb.
Die Größe und Form der Batterie 20 kann je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und elektronische Handgeräte sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Spezifikationen hinsichtlich Größe, Kapazität und Leistungsabgabe ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallel geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Verbrauchervorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Verbrauchervorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich die Batterie 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Verbrauchervorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Vorrichtungen handeln kann, enthalten einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Bei der Verbrauchervorrichtung 42 kann es sich auch um eine stromerzeugende Einrichtung handeln, die die Batterie 20 zum Zweck der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 enthalten, z. B. in ihren Poren, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. In jeder Variante enthält der Elektrolyt 30 jedoch einen Elektrolytzusatz, der zur Verbesserung der Zyklusstabilität sowie zum Verringern des Spannungsabfalls beiträgt. Der Elektrolyt 30 kann zum Beispiel größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% des Elektrolytzusatzes enthalten. In bestimmten Varianten kann der Elektrolytzusatz Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), Ethylensulfat (DTD) oder eine Kombination aus Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und Ethylensulfat (DTD) enthalten.
In bestimmten Varianten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) und Kombinationen davon. In bestimmten Varianten kann das Lithiumsalz im Wesentlichen aus Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) bestehen. In bestimmten Varianten kann das Lithiumsalz aus Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) bestehen.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sein, die unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z. B. zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) und dergleichen), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und dergleichen), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat und dergleichen), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton und dergleichen), Kettenstruktur-Ether (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan und dergleichen), zyklische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan und dergleichen), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon enthalten.
In verschiedenen Aspekten kann das Lösungsmittel ein Gemisch von Lösungsmitteln enthalten. Der Elektrolyt 30 kann zum Beispiel ein erstes Lösungsmittel, ein zweites Lösungsmittel und ein drittes Lösungsmittel enthalten. Das erste und das zweite Lösungsmittel können unabhängig voneinander ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan, Sulfolan und Kombinationen davon. Das dritte Lösungsmittel kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC) und Kombinationen davon. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel zum Beispiel im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Fluorethylencarbonat (FEC) bestehen. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Vinylencarbonat (VC) bestehen. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Fluorethylencarbonat (FEC) bestehen. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) und Vinylencarbonat (VC) bestehen.
Weiterhin kann das Lösungsmittel in verschiedenen Aspekten ein erstes Lösungsmittel, ein zweites Lösungsmittel, ein drittes Lösungsmittel und ein viertes Lösungsmittel sein. Das erste und das zweite Lösungsmittel können unabhängig voneinander ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan, Sulfolan und Kombinationen davon. Das dritte Lösungsmittel kann Vinylencarbonat (VC) enthalten und das vierte Lösungsmittel kann Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel zum Beispiel im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Vinylencarbonat (VC) und Fluorethylencarbonat (FEC) bestehen. In bestimmten Varianten kann das Lösungsmittel aus Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC), Vinylencarbonat (VC) und Fluorethylencarbonat (FEC) bestehen.
In bestimmten Varianten kann der Elektrolyt 30 beispielsweise 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. In anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 beispielsweise 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiP-O₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FED) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. In weiteren Varianten kann der Elektrolyt 30 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiP-O₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch enthalten, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
In bestimmten Varianten kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht. In anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht, sowie aus etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht. In weiteren Varianten kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Massenverhältnis von 3:7 besteht, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (Li-PO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das im Wesentlichen aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht.
In bestimmten Varianten kann der Elektrolyt 30 aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht. In anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht, sowie aus etwa 2 Gew.- % Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht. In weiteren Varianten kann der Elektrolyt 30 aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) im Massenverhältnis von 3:7 besteht, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC). In noch anderen Varianten kann der Elektrolyt 30 aus 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das aus Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 besteht.
Der Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator mit einem Polyolefin enthalten. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder ein Gemisch aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Filme aus PE und/oder PP handeln. Im Handel erhältliche Membranen 26 für poröse Polyolefin-Separatoren enthalten CELGARD^® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC bezogen werden können.
Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassprozess hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne 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 sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das dazu geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner eines oder mehrere von einem keramischen Material und einem hitzebeständigen Material enthalten. Der Separator 26 kann zum Beispiel auch dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beigemischt werden. Das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material kann auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: NOMEX™ Meta-Aramid (z. B. ein aromatisches Polyamid, das durch eine Kondensationsreaktion aus den Monomeren m-Phenylendiamin und Isophthaloylchlorid gebildet wird), dem aromatischen Polyamid ARAMID und Kombinationen davon.
Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich etwa 1 Mikrometer bis kleiner oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der in dem porösen Separator 26 angeordnete Elektrolyt 30, der in 1 veranschaulicht ist, durch einen Festkörper-Elektrolyten („SSE“) und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z. B. ein Gel) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörper-Elektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt kann beispielsweise zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörper-Elektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt ermöglicht den Transfer von Lithiumionen und sorgt gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode 22, 24. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann der Festkörper-Elektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen enthalten, wie beispielsweise Li-Ti₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99 Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Der halbfeste Elektrolyt kann einen Polymerwirt und einen flüssigen Elektrolyten enthalten. Der Polymerwirt kann zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon beinhalten. In bestimmten Varianten kann sich der halbfeste oder gelartige Elektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder den negativen Elektroden 22 befinden. In jedem Fall umfasst der Festkörperelektrolyt und/oder halbfeste Elektrolyt jedoch die vorstehend beschriebene Elektrolytformulierung.
Die negative Elektrode 22 ist aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet, das in der Lage ist, als negativer Pol einer Lithium-Ionen-Batterie zu fungieren. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialpartikeln definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von größer oder gleich etwa 0 Nanometer (nm) bis kleiner oder gleich etwa 500 µm, optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 10 µm bis kleiner oder gleich etwa 200 µm, enthalten.
In bestimmten Varianten kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material auf Siliziumbasis enthalten, z. B. Lithium-Silizium, siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, Si-O_x(wobei 0 ≤ x ≤ 2), lithiumdotiertes SiO_x(wobei 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen). In anderen Varianten kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere andere volumenvergrößernde negative elektroaktive Materialien (z. B. Aluminium, Germanium, Zinn) enthalten. In noch anderen Varianten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z. B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Varianten kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Lithium-Metallfolie definiert werden. In noch anderen Varianten kann die negative Elektrode 22 beispielsweise nur kohlenstoffhaltige negative elektroaktive Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle, und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) enthalten.
In weiteren Varianten kann die negative Elektrode 22 eine Verbundelektrode sein, die eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien enthält. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material enthalten. Ein Verhältnis zwischen dem ersten negativen elektroaktiven Material und dem zweiten negativen elektroaktiven Material kann größer oder gleich etwa 5:95 bis kleiner oder gleich etwa 95:5 sein. In bestimmten Varianten kann das erste negative elektroaktive Material ein volumenvergrößerndes Material sein, einschließlich z. B. Silizium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn, und das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z. B. Graphit, Hartkohle und/oder Weichkohle) enthalten. In bestimmten Varianten kann das negative elektroaktive Material beispielsweise einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Silizium-Basis enthalten, der z. B. etwa 10 Gew.-% SiO_x (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält.
In jeder Variante kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitfähigen Material (d. h. einem leitfähigen Zusatz), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindematerial vermischt werden, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.- % und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels enthalten.
Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Elektronisch leitende Materialien können z. B. Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverförmiges Nickel oder andere Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer enthalten. Materialien auf Kohlenstoffbasis können beispielsweise Graphitpartikel, Acetylenschwarz (wie beispielsweise KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhrchen (z. B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähige Rußpartikel (wie SuperP (SP)) und dergleichen enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind unter anderem Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Die positive Elektrode 24 ist aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet, das in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während sie als positiver Pol einer Lithium-Ionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialpartikel können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. In bestimmten Varianten kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörper-Elektrolytpartikeln enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine nickelreiche Kathode sein, die ein positives elektroaktives Material enthält, das dargestellt wird durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹, M², M³, und M⁴ beispielsweise jeweils ein Übergangsmetall sind, das unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel NMC (LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCA (LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCMA (Li-Ni_xCo_yMn_zAl_1-x-y-zO₂, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4, 0 ≤ z ≤ 0,4) enthalten.
Das positive elektroaktive Material kann optional auch mit einem elektronisch leitfähigen Material (d. h. einem leitfähigen Zusatz), das einen elektronenleitenden Pfad bereitstellt, und/oder einem polymeren Bindematerial vermischt werden, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich etwa 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Gew.- % und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels enthalten. Der in der positiven Elektrode 24 enthaltene leitfähige Zusatz und/oder das enthaltene Bindemittel kann der-/dasselbe oder ein anderer/anderes sein als der in der negativen Elektrode 22 enthaltene leitfähige Zusatz.
Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
Beispielbatterien und -zellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Eine erste Beispielzelle 210 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Eine zweite Beispielzelle 220 kann einen zweiten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), etwa 1 Gew.- % Ethylensulfat (DTD) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Eine Vergleichszelle 230 kann einen Elektrolyten ohne Lithiumdifluorphosphatzusatz (LiPO₂F₂) sowie ohne Ethylensulfatzusatz (DTD) enthalten. Die Vergleichszelle enthält beispielsweise etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Die Beispielzellen 210, 220 sowie die Vergleichszelle 230 können jeweils eine nickelreiche Kathode (beispielsweise NCMA) und eine siliziumhaltige Anode (beispielsweise etwa 5,5 Gew.-% SiOx (wobei 0,1 < x < 2) gemischt mit Graphit) enthalten.
2 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung der Beispielzellen 210, 220 im Vergleich zur Vergleichszelle 230, wobei die x-Achse 200 die Kapazitätserhaltung (%) und die y-Achse 202 die Zyklenzahl darstellt. Wie dargestellt, weisen die Beispielzellen 210, 220 nach etwa 300 Zyklen im Vergleich zur Vergleichszelle 230 eine um etwa 5 % verbesserte Zykluslebensdauer auf.
Beispiel 2
Beispielbatterien und -zellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Eine erste Beispielzelle 310 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC).
Eine Vergleichszelle 320 kann einen Elektrolyten ohne Lithiumdifluorphosphatzusatz (LiPO₂F₂) enthalten. Die Vergleichszelle enthält beispielsweise etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC).
Die Beispielzelle 310 und die Vergleichszelle 320 können jeweils eine nickelreiche Kathode (beispielsweise NCMA) und eine siliziumhaltige Anode (beispielsweise etwa 5,5 Gew.-% SiOx (wobei 0,1 < x < 2) gemischt mit Graphit) enthalten.
3 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung der Beispielzelle 310 im Vergleich zur Vergleichszelle 320, wobei die x-Achse 300 die Kapazitätserhaltung (%) und die y-Achse 302 die Zyklenzahl darstellt. Wie dargestellt, weist die Beispielzelle 310 nach etwa 80 Zyklen eine um etwa 3 % verbesserte Zykluslebensdauer im Vergleich zur Vergleichszelle 320 und nach etwa 80 Zyklen eine um etwa 5 % verbesserte Zykluslebensdauer im Vergleich zur Vergleichszelle 230 auf.
Beispiel 3
Beispielbatterien und -zellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Eine erste Beispielzelle 410 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 0,5 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Eine zweite Beispielzelle 420 kann einen zweiten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Eine Vergleichszelle 430 kann einen Elektrolyten ohne Ethylensulfatzusatz (DTD) enthalten. Die Vergleichszelle enthält beispielsweise etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
Die Beispielzellen 410, 420 sowie die Vergleichszelle 430 können jeweils eine nickelreiche Kathode (beispielsweise NCMA) und eine siliziumhaltige Anode (beispielsweise etwa 5,5 Gew.-% SiOx (wobei 0,1 < x < 2) gemischt mit Graphit) enthalten.
4 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung der Beispielzellen 410, 420 im Vergleich zur Vergleichszelle 430, wobei die x-Achse 400 die Kapazitätserhaltung (%) und die y-Achse 402 die Zyklenzahl darstellt. Wie dargestellt, weisen die Beispielzellen 410, 420 nach etwa 300 Zyklen im Vergleich zur Vergleichszelle 430 eine um etwa 5 % verbesserte Zykluslebensdauer auf.
Beispiel 4
Beispielbatterien und -zellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Eine erste Beispielzelle 510 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten enthalten, der im Wesentlichen aus etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) und etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC).
Eine Vergleichszelle 520 kann einen Elektrolyten ohne Ethylensulfatzusatz (DTD) enthalten. Die Vergleichszelle enthält beispielsweise etwa 1M Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittelgemisch, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst, sowie etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC).
Die Beispielzelle 510 und die Vergleichszelle 520 können jeweils eine nickelreiche Kathode (beispielsweise NCMA) und eine siliziumhaltige Anode (beispielsweise etwa 5,5 Gew.-% SiOx (wobei 0,1 < x < 2) gemischt mit Graphit) enthalten.
5 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung der Beispielzelle 510 im Vergleich zur Vergleichszelle 520, wobei die x-Achse 500 die Kapazitätserhaltung (%) und die y-Achse 502 die Zyklenzahl darstellt. Wie dargestellt, weist die Beispielzelle 510 nach etwa 80 Zyklen eine um etwa 9 % verbesserte Zykluslebensdauer im Vergleich zur Vergleichszelle 520 und nach etwa 80 Zyklen eine um etwa 5 % verbesserte Zykluslebensdauer im Vergleich zur Vergleichszelle 430 auf.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zur Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. 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 sind. Diese können auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Varianten sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzumfang der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine erste Elektrode, die ein nickelreiches positives elektroaktives Material umfasst, das größer oder gleich etwa 80 % Nickel (Ni) umfasst; eine zweite Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material auf Siliziumbasis umfasst; eine Trennschicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und einen Elektrolyten, der einen Elektrolytzusatz umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂), Ethylensulfat (DTD) und Kombinationen davon, in Kontakt mit mindestens dem nickelreichen positiven elektroaktiven Material und/oder dem negativen elektroaktiven Material auf Siliziumbasis.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittelgemisch umfasst, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei ein Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 beträgt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1,5 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiPO₂F₂) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt größer oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich etwa 1 Gew.-% Ethylensulfat (DTD) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt außerdem ein Lösungsmittelgemisch umfasst, das Folgendes umfasst: Ethylencarbonat (EC); Dimethylcarbonat (DMC), wobei das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) etwa 3:7 beträgt; etwa 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC); und etwa 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC).
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, wobei der Elektrolyt etwa 1 Gew.- % Ethylensulfat (DTD) und etwa 1 Gew.-% Lithiumdifluorphosphat (LiP-O₂F₂) umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das nickelreiche positive elektroaktive Material dargestellt wird durch: LiM¹ _xm² _yM³ _zM⁴ _(1-x-y-z)O₂ wobei M¹ Nickel (Ni) umfasst und M², M³ und M⁴ Übergangsmetalle sind, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mangan (Mn), Kobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon, 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.