DE102023103134A1 - Elektrolyt für eine lithium-sekundärbatterie und lithium-sekundärbatterie enthaltend diesen elektrolyt - Google Patents
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Abstract
Ein Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann ein Lithiumsalz, ein organisches Lösungsmittel und ein Additiv, das eine Lactonverbindung mit einer Epoxygruppe enthält, enthalten. Dementsprechend ist es möglich, einen Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie mit ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften und eine Lithium-Sekundärbatterie, die den Elektrolyten enthält, bereitzustellen.
Description
- [HINTERGRUND DER ERFINDUNG]
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie und eine Lithium-Sekundärbatterie, die diesen Elektrolyten enthält. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie, der ein Lithiumsalz, ein organisches Lösungsmittel und ein Additiv enthält, sowie eine Lithium-Sekundärbatterie, die den Elektrolyten enthält.
- 2. Beschreibung des Standes der Technik
- Eine Sekundärbatterie ist eine Batterie, die wiederholt aufgeladen und entladen werden kann und die in tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Laptops usw. oder in Elektrofahrzeugen als Energiequelle eingesetzt wird.
- Eine Lithium-Sekundärbatterie hat eine hohe Betriebsspannung und eine hohe Energiedichte pro Gewichtseinheit und ist vorteilhaft in Bezug auf die Ladegeschwindigkeit und das geringe Gewicht. In dieser Hinsicht wurde die Lithium-Sekundärbatterie aktiv entwickelt und als Energiequelle eingesetzt.
- Die Lithium-Sekundärbatterie kann beispielsweise Folgendes umfassen: eine Elektrodenanordnung mit einer Kathode, einer Anode und einer Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist; und einen Elektrolyten, mit dem die Elektrodenanordnung in einem Gehäuse imprägniert ist.
- Die Kathode kann beispielsweise ein Lithium-Metalloxid enthalten, das Lithium als Kathodenaktivmaterial reversibel interkalieren und deinterkalieren kann.
- In der Lithium-Sekundärbatterie können bei wiederholtem Laden und Entladen strukturelle Verformungen des Lithium-Metalloxids, Nebenreaktionen des Elektrolyten und Ähnliches auftreten. In diesem Fall können sich die Lebensdauereigenschaften (z. B. die Kapazitätserhaltungsrate) der Lithium-Sekundärbatterie verringern.
- Insbesondere wird die Lithium-Sekundärbatterie beim wiederholten Auf- und Entladen sowie beim Überladen einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausgesetzt. In diesem Fall werden die vorstehend beschriebenen Probleme beschleunigt, was zu einem Ausdehnungsphänomen der Batterie (eine Zunahme der Batteriedicke aufgrund von Gasen, die im Inneren der Batterie erzeugt werden), einer Zunahme des Innenwiderstands der Batterie und einer Verschlechterung der Lebensdauereigenschaften der Batterie führt. Deshalb werden, um die Hochtemperatureigenschaften zu verbessern, indem ein Film auf der Anode gebildet wird, Forschungen zur Zugabe eines Gamma-Butyrolacton (GBL)-Additivs zur Batterie durchgeführt.
- Zum Beispiel offenbart die koreanische Patentveröffentlichung Nr.
10-2016-0029566 - [ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG]
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen, der ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften aufweist.
- Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen, die den Elektrolyten mit ausgezeichneten Hochtemperatureigenschaften enthält.
- Um die vorstehend genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, der Folgendes enthält: ein Lithiumsalz; ein organisches Lösungsmittel; und ein Additiv, das eine Lactonverbindung der folgenden Formel 1 enthält:
- In Formel 1 ist X eine substituierte oder unsubstituierte C1-C5-Alkylengruppe.
- In einer Ausführungsform kann X eine unsubstituierte C1-C3-Alkylengruppe sein.
- In einer Ausführungsform kann die durch Formel 1 dargestellte Lactonverbindung 2,3-Epoxy-γ-butyrolacton enthalten.
- In einer Ausführungsform kann das Additiv in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten sein.
- In einer Ausführungsform kann das Additiv in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten sein.
- In einer Ausführungsform kann der Elektrolyt außerdem mindestens ein Hilfsadditiv enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer cyclischen Carbonatverbindung, einer fluorsubstituierten zyklischen Carbonatverbindung, einer Sultonverbindung, einer zyklischen Sulfatverbindung und einer Oxalatophosphatverbindung besteht.
- In einer Ausführungsform kann das Hilfsadditiv in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten sein.
- In einer Ausführungsform kann das Gewichtsverhältnis des Hilfsadditivs zum Gewicht des Additivs im Elektrolyten 0,5 bis 10 betragen.
- In einer Ausführungsform kann das organische Lösungsmittel ein Lösungsmittel eines zyklischen Carbonats und ein Lösungsmittel eines linearen Carbonats enthalten.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, die Folgendes enthält: eine Kathode, die ein Lithium-Metalloxid als Kathodenaktivmaterial umfasst; eine Anode, die so angeordnet ist, dass sie der Kathode gegenüberliegt; und den vorstehend beschriebenen Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie.
- In einer Ausführungsform kann das Kathodenaktivmaterial ein nickelhaltiges Lithium-Metalloxid enthalten.
- In einer Ausführungsform kann die Anode ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis als Anodenaktivmaterial enthalten.
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserter Anfangsleistung (z. B. Eigenschaften bei niedrigem Widerstand) realisieren.
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann eine robuste Festelektrolyt-Interphase (SEI) auf der Oberfläche der Anode bilden. Dementsprechend ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Hochtemperaturspeicherungseigenschaften zu realisieren (zum Beispiel verbesserte Dickenzunahmerate und Kapazitätserhaltungsrate sowie Verhinderung eines Anstiegs des Batteriewiderstands bei hohen Temperaturen).
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserter Hochtemperaturstabilität realisieren (zum Beispiel eine Wirkung der Unterdrückung der Gasbildungsrate in der Hochtemperaturumgebung).
- Figurenliste
- Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich, in denen:
-
1 eine Draufsicht ist, die schematisch eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigt; -
2 eine schematische Querschnittsansicht der Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen ist; und -
3 ein Diagramm ist, das die Ergebniswerte der Kapazitätserhaltungsraten und der Dickenzunahmeraten bei hoher Temperatur (60°C) gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 zeigt. - [DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
- Wie hierin verwendet, kann sich die „X-Verbindung“ auf eine Verbindung beziehen, die eine an eine Matrix gebundene X-Einheit enthält, usw. der „X-Verbindung“ und eines Derivats davon.
- Wie hierin verwendet, kann sich „Ca-Cb“ auf „die Anzahl der Kohlenstoffatome (C) von a bis b“ beziehen.
- <Elektrolyt für Lithium-Sekundärbatterie>
- Ein Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann umfassen: ein Lithiumsalz, ein organisches Lösungsmittel und ein Additiv.
- In einer Ausführungsform kann das Additiv eine Lactonverbindung mit einer Epoxygruppe enthalten.
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserter Anfangsleistung, Hochtemperaturstabilität und Hochtemperaturspeicherungseigenschaften realisieren.
- Nachfolgend werden die Komponenten der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
- Additiv
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann ein Additiv enthalten, das eine Lactonverbindung mit einer Epoxidgruppe enthält.
-
- In Formel 1 kann X eine substituierte oder unsubstituierte C1-C5-Alkylengruppe sein. Vorzugsweise kann X eine unsubstituierte C1-C3-Alkylengruppe sein.
- Zum Beispiel können ein Kohlenstoffatom einer C=O-Bindung und ein Sauerstoffatom einer C-O-Bindung durch die Alkylengruppe verbunden sein, um einen 4- bis 7-gliedrigen Ring zu bilden.
- Die Alkylengruppe kann zum Beispiel eine Struktur (-CnH2n-) bedeuten, bei der an beiden Enden des Alkans jeweils ein Wasserstoffatom von den Kohlenstoffatomen abgespalten ist. Zum Beispiel kann -CH2-CH2-CH2- eine Propylengruppe bedeuten.
- Die Bedeutung von „substituiert“ kann zum Beispiel bedeuten, dass ein Wasserstoffatom der Alkylengruppe mit einem Substituenten substituiert ist, so dass weiterhin der Substituent an ein Kohlenstoffatom der Alkylengruppe gebunden sein kann. Zum Beispiel kann der Substituent mindestens eines der folgenden sein: Halogen, eine C1-C6-Alkylgruppe, eine C2-C6-Alkenylgruppe, eine Aminogruppe, eine C1-C6-Alkoxygruppe, eine C3-C7-Cycloalkylgruppe und eine 5- bis 7-gliedrige Heterocycloalkylgruppe. In einigen Ausführungsformen kann der Substituent Halogen oder eine C1-C6-Alkylgruppe sein.
- In einer Ausführungsform kann die Lactonverbindung mit einer Epoxygruppe γ-Butyrolacton (GBL) mit einer Epoxygruppe enthalten. Wenn beispielsweise die Lactonverbindung mit der Epoxygruppe enthalten ist, kann eine robuste Festelektrolytmembran (SEI) auf einer Anode gebildet werden. In diesem Fall kann die Zersetzung von organischen Lösungsmitteln (z. B. EC, EMC usw.) wirksam verhindert werden. Dadurch können die Gasbildung und die Erhöhung der Batteriedicke erheblich reduziert werden.
-
- Wenn das 2,3-Epoxy-γ-butyrolacton als Additiv in dem Elektrolyten enthalten ist, bildet sich ein stabiler SEI-Film auf der Anode, so dass eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Hochtemperaturspeicherungseigenschaften realisiert werden kann. Zum Beispiel ist es möglich, die Dickenzunahmerate und die Kapazitätserhaltungsrate zu verbessern, sowie eine Erhöhung des Widerstands der Batterie bei hohen Temperaturen zu verhindern.
- In einer Ausführungsform kann das Additiv in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent („Gew.-%“), 0,25 bis 10 Gew.-% oder 0,5 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten sein. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Hochtemperaturspeicherungseigenschaften zu realisieren.
- Hilfsadditiv
- Der Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann neben dem vorstehend beschriebenen Additiv noch ein Hilfsadditiv enthalten.
- In einer Ausführungsform kann das Hilfsadditiv zum Beispiel eine zyklische Carbonatverbindung, eine fluorsubstituierte zyklische Carbonatverbindung, eine Sultonverbindung, eine zyklische Sulfonatverbindung oder eine Oxalatophosphatverbindung sein.
- Das Hilfsadditiv kann in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% oder 1 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten sein. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Hochtemperaturspeicherungseigenschaften zu realisieren.
- In einer Ausführungsform kann das Verhältnis des Gewichts des Hilfsadditivs zum Gewicht des Additivs im Elektrolyten 1 zu 10, größer als 1 und 10 oder weniger, 1,25 zu 10 oder 1,25 zu 7 betragen. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Hochtemperaturspeicherungseigenschaften zu realisieren.
- Die zyklische Carbonatverbindung enthaltend eine Doppelbindung kann beispielsweise Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC) oder ähnliches enthalten.
- Die fluorsubstituierte zyklische Carbonatverbindung kann beispielsweise Fluorethylencarbonat (FEC) enthalten.
- Die Sultonverbindung kann beispielsweise 1,3-Propansulton, 1,3-Propensulton, 1,4-Butansulton oder ähnliches enthalten.
- Die zyklische Sulfatverbindung kann beispielsweise 1,2-Ethylensulfat, 1,2-Propylensulfat oder ähnliches enthalten.
- Die Oxalatophosphatverbindung kann beispielsweise Lithiumbis(oxalato)phosphat enthalten.
- In einer bevorzugten Ausführungsform können als Hilfsadditiv die fluorsubstituierte cyclische Carbonatverbindung, die Sultonverbindung, die cyclischen Sulfatverbindungen und die Oxalatophosphatverbindungen zusammen verwendet werden.
- Durch die zusätzliche Zugabe des Hilfsadditivs kann die Haltbarkeit und Stabilität der Elektrode weiter verbessert werden. Das Hilfsadditiv kann in einer geeigneten Menge innerhalb eines Bereichs zugesetzt werden, der die Bewegung der Lithiumionen im Elektrolyten nicht einschränkt.
- Organisches Lösungsmittel und Lithiumsalz
- Das organische Lösungsmittel kann beispielsweise eine organische Verbindung enthalten, die eine ausreichende Löslichkeit für das Lithiumsalz, das Additiv und das Hilfsadditiv bietet und in der Batterie nicht reaktiv ist.
- Das organische Lösungsmittel kann beispielsweise mindestens eines der folgenden enthalten: ein Carbonatlösungsmittel, ein Esterlösungsmittel, ein Etherlösungsmittel, ein Ketonlösungsmittel, ein Alkohollösungsmittel und ein aprotisches Lösungsmittel.
- In einer Ausführungsform kann das organische Lösungsmittel ein Carbonatlösungsmittel enthalten.
- In einigen Ausführungsformen kann das Carbonatlösungsmittel ein Lösungsmittel eines linearen Carbonats und ein Lösungsmittel eines zyklischen Carbonats enthalten.
- Das Lösungsmittel des linearen Carbonats kann beispielsweise Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Diethylcarbonat (DEC), Methylpropylcarbonat, Ethylpropylcarbonat oder Dipropylcarbonat enthalten.
- Das Lösungsmittel des zyklische Carbonats kann beispielsweise mindestens eines enthalten aus Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC) und Butylencarbonat.
- In einigen Ausführungsformen kann das organische Lösungsmittel eine größere Menge des Lösungsmittels des linearen Carbonats enthalten als des Lösungsmittels des zyklischen Carbonats, bezogen auf ein Volumen.
- Beispielsweise kann das Mischvolumenverhältnis zwischen dem Lösungsmittel des linearen Carbonats und dem Lösungsmittel des zyklischen Carbonats 1:1 bis 9:1 und vorzugsweise 1,5:1 bis 4:1 betragen.
- Das Esterlösungsmittel kann beispielsweise mindestens eines von Methylacetat (MA), Ethylacetat (EA), n-Propylacetat (n-PA), 1,1-Dimethylethylacetat (DMEA), Methylpropionat (MP) und Ethylpropionat (EP) enthalten.
- Das Etherlösungsmittel kann beispielsweise mindestens eines von Dibutylether, Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME), Diethylenglykoldimethylether (DEGDME), Dimethoxyethan, Tetrahydrofuran (THF) und 2-Methyltetrahydrofuran enthalten.
- Das Ketonlösungsmittel kann zum Beispiel Cyclohexanon enthalten.
- Das Alkohollösungsmittel kann zum Beispiel Ethylalkohol oder Isopropylalkohol enthalten.
- Das aprotische Lösungsmittel kann zum Beispiel mindestens eines aus einem Nitrillösungsmittel, einem Amidlösungsmittel (z. B. Dimethylformamid), einem Dioxolanlösungsmittel (z. B. 1,3-Dioxolan) oder einem Sulfolanlösungsmittel enthalten.
- Der Elektrolyt enthält ein Lithiumsalz, wobei das Lithiumsalz als Li+X- ausgedrückt werden kann.
- Das Anion (X-) des Lithiumsalzes kann beispielsweise irgend eines sein, ausgewählt aus F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, CIO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- und (CF3CF2SO2)2N-.
- In einigen Ausführungsformen kann das Lithiumsalz mindestens eines von LiBF4 und LiPF6 enthalten.
- In einer Ausführungsform kann das Lithiumsalz in einer Konzentration von 0,01 bis 5 M, vorzugsweise 0,01 bis 2 M, bezogen auf das organische Lösungsmittel, enthalten sein. Innerhalb des oben genannten Konzentrationsbereichs können sich die Lithiumionen und/oder Elektronen während des Ladens und Entladens der Batterie problemlos bewegen.
- <Lithium-Sekundärbatterie>
- Eine Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann enthalten: eine Kathode; eine Anode; eine Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist; und einen Elektrolyten, der ein organisches Lösungsmittel und ein Lithiumsalz enthält.
- Nachfolgend wird die Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
1 und2 sind eine schematische Draufsicht beziehungsweise eine schematische Querschnittsansicht, die die Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigen. Insbesondere ist2 eine Querschnittsansicht, die auf der Linie I-I' in1 aufgenommen wurde. - Unter Bezugnahme auf
1 und2 kann die Lithium-Sekundärbatterie eine Kathode 100 und eine Anode 130, die der Kathode 100 gegenüberliegend angeordnet ist, enthalten. - Die Kathode 100 kann einen Kathodenstromkollektor 105 und eine Schicht aus Kathodenaktivmaterial 110 auf dem Kathodenstromkollektor 105 enthalten.
- Die Schicht aus Kathodenaktivmaterial 110 kann beispielsweise ein Kathodenaktivmaterial und, falls erforderlich, ein Kathodenbindemittel und ein leitfähiges Material enthalten.
- Die Kathode 100 kann beispielsweise durch Mischen und Rühren des Kathodenaktivmaterial, des Kathodenbindemittels und des leitfähigen Materials usw. in einem Dispersionsmedium hergestellt werden, um eine Kathodenaufschlämmung herzustellen, und dann wird die Kathodenaufschlämmung auf den Kathodenstromkollektor 105 aufgebracht, gefolgt von Trocknen und Walzen desselben.
- Der Kathodenstromkollektor 105 kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer oder einer Legierung davon bestehen.
- Das Kathodenaktivmaterial kann beispielsweise Lithium-Metalloxid-Partikel enthalten, die Lithiumionen reversibel interkalieren und deinterkalieren können.
- In einer Ausführungsform kann das Kathodenaktivmaterial nickelhaltige Lithium-Metalloxid-Partikel enthalten.
- In einigen Ausführungsformen können die Lithium-Metalloxid-Partikel 80 Mol-% oder mehr Nickel enthalten, bezogen auf die Gesamtmolzahl aller Elemente außer Lithium und Sauerstoff. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit einer hohen Kapazität zu realisieren.
- In einigen Ausführungsformen können die Lithium-Metalloxid-Partikel 83 Mol-% oder mehr, 85 Mol-% oder mehr, 90 Mol-% oder mehr oder 95 Mol-% oder mehr Nickel, bezogen auf die Gesamtmolzahl aller Elemente außer Lithium und Sauerstoff, enthalten.
- In einigen Ausführungsformen können die Lithium-Metalloxid-Partikel außerdem mindestens eines der Elemente Kobalt und Mangan enthalten.
- In einigen Ausführungsformen können die Lithium-Metalloxid-Partikel außerdem Kobalt und Mangan enthalten. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit hervorragender Leistungscharakteristik und Penetrationsstabilität zu realisieren.
- In einer Ausführungsform können die Lithium-Metalloxidteilchen durch die nachstehende Formel 3 dargestellt sein.
LixNi(1-a-b)CoaMbOy [Formel 3] - In Formel 3 kann M beispielsweise mindestens eines von Al, Zr, Ti, Cr, B, Mg, Mn, Ba, Si, Y, W und Sr sein, und x, y, a und b können in einem Bereich von 0,9≤x≤1 ,2, 1,9≤y≤2,1 beziehungsweise 0≤a+b≤0,5 liegen.
- In einigen Ausführungsformen kann a+b in einem Bereich von 0≤a+b≤0,4, 0≤a+b≤0,3, 0<a+b≤0,2, 0<a+b≤0,17, 0<a+b≤0,15, 0<a+b≤0,12, oder 0<a+b≤0,1 liegen.
- In einer Ausführungsform können die Lithium-Metalloxid-Partikel außerdem ein Beschichtungselement oder ein Dotierungselement enthalten. Das Beschichtungselement oder das Dotierungselement kann beispielsweise Al, Ti, Ba, Zr, Si, B, Mg, P, Sr, W, La oder eine Legierung davon oder ein Oxid davon enthalten. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit verbesserten Lebensdauereigenschaften zu realisieren.
- Das Kathodenbindemittel kann zum Beispiel ein organisches Bindemittel wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-co-HFP), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat usw., oder ein wässriges Bindemittel wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) enthalten. Darüber hinaus kann das Kathodenbindemittel zum Beispiel zusammen mit einem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
- Das leitfähige Material kann beispielsweise ein leitfähiges Material auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Ruß, Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren; oder ein leitfähiges Material auf Metallbasis wie Zinn, Zinnoxid, Titanoxid oder ein Perowskit-Material wie LaSrCoO3 und LaSrMnO3 enthalten.
- Die Anode 130 kann zum Beispiel einen Anodenstromkollektor 125 und eine Schicht aus Anodenaktivmaterial 120 auf dem Anodenstromkollektor 125 enthalten.
- Die Schicht aus Anodenaktivmaterial 120 kann beispielsweise ein Anodenaktivmaterial und, falls erforderlich, ein Anodenbindemittel und ein leitfähiges Material enthalten.
- Die Anode 130 kann beispielsweise durch Mischen und Rühren des Anodenaktivmaterial, des Anodenbindemittels, des leitfähigen Materials usw. in einem Lösungsmittel hergestellt werden, um eine Anodenaufschlämmung herzustellen, und dann wird die Anodenaufschlämmung auf den Anodenstromkollektor 125 aufgebracht, gefolgt von Trocknen und Walzen desselben.
- Der Anodenstromkollektor 125 kann beispielsweise Gold, rostfreien Stahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer oder eine Legierung davon enthalten, vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung.
- Das Anodenaktivmaterial kann beispielsweise ein Material sein, das Lithiumionen interkalieren und deinterkalieren kann. Das Anodenaktivmaterial kann zum Beispiel eine Lithiumlegierung, ein Aktivmaterial auf Kohlenstoffbasis, ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis oder ähnliches enthalten.
- Die Lithiumlegierung kann beispielsweise Aluminium, Zink, Wismut, Cadmium, Antimon, Silizium, Blei, Zinn, Gallium, Indium und dergleichen enthalten.
- Das Aktivmaterial auf Kohlenstoffbasis kann beispielsweise kristallinen Kohlenstoff, amorphen Kohlenstoff, Kohlenstoffverbundwerkstoffe, Kohlenstofffasern und dergleichen enthalten.
- Der amorphe Kohlenstoff kann beispielsweise Hartkohle, Koks, Mesokohlenstoff-Mikroperlen (MCMB), die bei 1500°C oder weniger kalziniert wurden, Kohlenstofffasern auf Mesophasen-Pechbasis (MPCF) oder dergleichen enthalten. Der kristalline Kohlenstoff kann beispielsweise Naturgraphit, Graphitkoks, Graphit-MCMB, Graphit-MPCF und dergleichen enthalten.
- In einer Ausführungsform kann das Anodenaktivmaterial ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis enthalten. Das Aktivmaterial auf Siliziumbasis kann zum Beispiel Si, SiOx (0<x<2), Si/C, SiO/C, Si-Metall und dergleichen enthalten. In diesem Fall ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit einer hohen Kapazität zu realisieren.
- Wenn das Anodenaktivmaterial beispielsweise ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis enthält, kann das Problem auftreten, dass die Dicke der Batterie bei wiederholtem Laden und Entladen zunimmt. Die Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann den vorstehend beschriebenen Elektrolyten enthalten, um eine Dickenzunahme der Batterie zu verringern.
- In einigen Ausführungsformen kann das Aktivmaterial auf Siliziumbasis in dem Anodenaktivmaterial mit einem Anteil von 1 bis 20 Gew.-%, 1 bis 15 Gew.-% oder 1 bis 10 Gew.-% enthalten sein.
- Das Anodenbindemittel und das leitfähige Material können im Wesentlichen gleich oder ähnlich wie das zuvor beschriebene Kathodenbindemittel und das leitfähige Material sein. Das Anodenbindemittel kann zum Beispiel ein wässriges Bindemittel wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) sein. Darüber hinaus kann das Anodenbindemittel beispielsweise zusammen mit einem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
- In einer Ausführungsform kann zwischen der Kathode 100 und der Anode 130 eine Trennmembran 140 angeordnet sein.
- In einigen Ausführungsformen kann die Anode 130 eine größere Fläche aufweisen als die Kathode 100. In diesem Fall können die von der Kathode 100 erzeugten Lithiumionen problemlos zur Anode 130 wandern, ohne sich in der Mitte abzusetzen.
- Die Trennmembran 140 kann beispielsweise einen porösen Polymerfilm aus einem Polyolefinpolymer wie Ethylen-Homopolymer, Propylen-Homopolymer, Ethylen/Buten-Copolymer, Ethylen/Hexen-Copolymer, Ethylen/Methacrylat-Copolymer oder dergleichen enthalten. Alternativ kann die Trennmembran 140 beispielsweise einen Vliesstoff bestehend aus Glasfasern mit hohem Schmelzpunkt, Polyethylenterephthalatfasern oder dergleichen enthalten.
- So kann beispielsweise eine Elektrodenzelle gebildet werden, die die Kathode 100, die Anode 130 und die Trennmembran 140 enthält.
- Beispielsweise können mehrere Elektrodenzellen laminiert werden, um eine Elektrodenanordnung 150 zu bilden. Die Elektrodenanordnung 150 kann zum Beispiel durch Wickeln, Laminieren, Z-Falten usw. der Trennmembran 140 gebildet werden.
- Die Lithium-Sekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann Folgendes enthalten: eine Kathodenleitung 107, die mit der Kathode 100 verbunden ist und zur Außenseite eines Gehäuses 160 vorsteht; und eine Anodenleitung 127, die mit der Anode 130 verbunden ist und zur Außenseite des Gehäuses 160 vorsteht.
- Zum Beispiel können die Kathode 100 und die Kathodenleitung 107 elektrisch miteinander verbunden sein. In ähnlicher Weise können die Anode 130 und die Anodenleitung 127 elektrisch miteinander verbunden sein.
- Zum Beispiel kann die Kathodenleitung 107 elektrisch mit dem Kathodenstromkollektor 105 verbunden sein. Darüber hinaus kann die Anodenleitung 127 elektrisch mit dem Anodenstromkollektor 125 verbunden sein.
- Der Kathodenstromkollektor 105 kann beispielsweise auf einer Seite einen vorstehenden Teil (Kathodenstreifen, nicht dargestellt) aufweisen. Die Schicht aus Kathodenaktivmaterial 110 kann auf dem Kathodenstreifen nicht ausgebildet sein. Der Kathodenstreifen kann integral mit dem Kathodenstromkollektor 105 ausgebildet oder durch Schweißen oder dergleichen mit diesem verbunden sein. Der Kathodenstromkollektor 105 und die Kathodenleitung 107 können über den Kathodenstreifen elektrisch miteinander verbunden sein.
- In ähnlicher Weise kann der Anodenstromkollektor 125 auf einer Seite einen vorstehenden Teil (Anodenstreifen, nicht dargestellt) aufweisen. Die Schicht aus Anodenaktivmaterial 120 kann auf dem Anodenstreifen nicht ausgebildet sein. Der Anodenstreifen kann integral mit dem Anodenstromkollektor 125 ausgebildet oder durch Schweißen oder dergleichen mit diesem verbunden sein. Der Anodenstromkollektor 125 und die Anodenleitung 127 können über den Anodenstreifen elektrisch miteinander verbunden sein.
- In einer Ausführungsform kann die Elektrodenanordnung 150 eine Vielzahl von Kathoden und eine Vielzahl von Anoden enthalten. Beispielsweise können die Vielzahl von Kathoden und Anoden abwechselnd zueinander angeordnet sein, und die Trennmembranen können zwischen den Kathoden und den Anoden angeordnet sein. Dementsprechend kann die Lithium-Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Kathodenstreifen und eine Vielzahl von Anodenstreifen enthalten, die von jeder der Vielzahl von Kathoden und der Vielzahl von Anoden vorstehen.
- In einer Ausführungsform können die Kathodenstreifen (oder die Anodenstreifen) laminiert, komprimiert und geschweißt sein, um ein Kathodenstreifenlaminat (oder ein Anodenstreifenlaminat) zu bilden. Das Kathodenstreifenlaminat kann elektrisch mit der Kathodenleitung 107 verbunden sein. Darüber hinaus kann das Anodenstreifenlaminat elektrisch mit der Anodenleitung 127 verbunden sein.
- Die Elektrodenanordnung 150 kann beispielsweise zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Elektrolyten in dem Gehäuse 160 untergebracht sein, um eine Lithium-Sekundärbatterie zu bilden.
- Die Lithium-Sekundärbatterie kann beispielsweise in einer zylindrischen Form, einer quadratischen Form, einem Beuteltyp oder einer Münzform hergestellt sein.
- Nachfolgend werden bevorzugte Beispiele und Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die folgenden Beispiele sind jedoch nur bevorzugte Beispiele der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
- <Beispiele und Vergleichsbeispiele>
- (1) Herstellung des Elektrolyten
- Es wurde eine 1 M LiPF6-Lösung (ein gemischtes Lösungsmittel aus EC/EMC in einem Volumenverhältnis von 25:75) hergestellt.
- Die Elektrolyte der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden hergestellt durch Zugabe von Additiven und Hilfsadditiven in den in Tabelle 1 unten beschriebenen Gehalten (Gew.-%) zu der LiPF6-Lösung, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, und miteinander vermischt.
- (2) Herstellung der Lithium-Sekundärbatterieprobe
- Eine Kathodenaufschlämmung wurde durch Mischen und Dispergieren von Li[Ni00.8Co0.1Mn0.1]O2, Ruß (carbon black) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) in NMP in einem Gewichtsverhältnis von 92:5:3 hergestellt.
- Die Kathodenaufschlämmung wurde gleichmäßig auf einen Bereich einer Aluminiumfolie (Dicke: 15 µm), die auf einer Seite einen vorstehenden Teil (Kathodenstreifen) aufweist, aufgetragen, mit Ausnahme des vorstehenden Teils, und anschließend getrocknet und gewalzt, um eine Kathode herzustellen.
- Eine Anodenaufschlämmung wurde durch Mischen und Dispergieren eines Anodenaktivmaterials, in dem künstlicher Graphit, natürlicher Graphit und SiOx (0<x<2) in einem Gewichtsverhältnis von 60:34:6 gemischt wurden, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Carboxymethylcellulose (CMC) in Wasser in einem Gewichtsverhältnis von 97:1:2 hergestellt.
- Die Anodenaufschlämmung wurde gleichmäßig auf einen Bereich einer Aluminiumfolie (Dicke: 15 µm), die auf einer Seite einen vorstehenden Teil (Anodenstreifen) aufweist, aufgetragen, mit Ausnahme des vorstehenden Teils, und anschließend getrocknet und gewalzt, um eine Anode herzustellen.
- Eine Elektrodenanordnung wurde gebildet, indem eine Polyethylen-Trennmembran (Dicke: 20 µm) zwischen der Kathode und der Anode eingefügt wurde. Anschließend wurden eine Kathodenleitung und eine Anodenleitung angeschweißt und mit dem Kathodenstreifen bzw. dem Anodenstreifen verbunden.
- Die Elektrodenanordnung wurde in einem Beutel (Gehäuse) untergebracht, so dass einige Bereiche der Kathodenleitung und der Anodenleitung zur Außenseite des Beutels hin freilagen, woraufhin drei Seiten des Beutels mit Ausnahme einer Seite eines Elektrolytinjektionsteils versiegelt wurden.
- Nach dem Injizieren des wie vorstehend unter (1) hergestellten Elektrolyten und dem Verschließen der Seite des Elektrolytinjektionsteils wurde eine Lithium-Sekundärbatterie durch 12-stündige Imprägnierung hergestellt. [TABELLE 1]
GBL-Additiv Hilfsadditiv (Gew.-%) W3 FEC PS PRS ESA Beispiel 1 GBL I, 1 Gew.-% 1 1 0.5 0.5 0.5 Beispiel 2 GBL I, 0.1 Gew.-% 1 1 0.5 0.5 0.5 Beispiel 3 GBL I, 0.5 Gew.-% 0.5 0.5 0.25 0.25 0.25 Beispiel 4 GBL I, 3 Gew.-% 1.5 1.5 1 1 1 Beispiel 5 GBL I, 5 Gew.-% 1.5 1.5 1 1 1 Beispiel 6 GBL I, 10 Gew.-% 2 2 1 1 1 Vergleichsbeispiel 1 - 1 1 0.5 0.5 0.5 Vergleichsbeispiel 2 GBL II, 1 Gew.-% 1 1 0.5 0.5 0.5 Vergleichsbeispiel 3 GBL III, 1 Gew.-% 1 1 0.5 0.5 0.5 - Die in Tabelle 1 beschriebenen Komponenten sind wie folgt.
- GBL I: 2,3-Epoxy-gamma-butyrolacton
- GBL II: Gamma-Butyrolacton
- GBL III: Gamma-Methylen-gamma-Butyrolacton
- W3: Lithiumbis(oxalato)phosphat (LiPF2(C2O4)2)
- FEC: Fluorethylencarbonat
- PS: 1,3-Propan-Sulton
- PRS: 1,3-Propensulton
- ESA: Ethylensulfat
- <Experimentelles Beispiel>
- (1) Messung des Gleichstrom-Innenwiderstands (C-DCIR und D-DCIR)
- Bei 60 % des Ladezustands (SOC), wenn die C-Rate nacheinander auf 0,2C, 0,5C, 1,0C, 1,5C, 2,0C, 2,5C und 3,0C erhöht wird und das Laden und Entladen mit der C-Rate für 10 Sekunden durchgeführt wird, wurden die Endpunkte der Spannung mit einer Gleichung einer geraden Linie zusammengesetzt und die Steigung davon wurde als DCIR angenommen. Die Ergebniswerte sind in Tabelle 2 beschrieben.
- (2) Messung der Dicke der Batterie nach Hochtemperaturlagerung
- Die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden einer 0,5C CC/CV-Ladung (4,2 V 0,05C CUT-OFF) bei 25°C unterzogen, dann wurde die Batteriedicke T1 gemessen.
- Nachdem die geladenen Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und Vergleichsbeispiele 3 Wochen lang der Atmosphäre bei 60° ausgesetzt waren (unter Verwendung einer thermostatischen Vorrichtung), wurde die Batteriedicke T2 bei Raumtemperatur gemessen. Die Batteriedicke wurde mit einem Blechdickenmessgerät (Mitutoyo, 543-490B) gemessen. Die Zunahmerate der Batteriedicke wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet, und die Ergebniswerte sind in Tabelle 2 beschrieben und in
3 dargestellt. - Zunahmerate der Batteriedicke (%) = (T2-T1)/T1 × 100 (%)
- (3) Messung der Kapazitätserhaltungsrate (Ret) nach Hochtemperaturlagerung
- Eine 0,5C CC/CV-Ladung (4,2 V, 0,05C CUT-OFF) und eine 0,5C CC-Entladung (2,7 V CUT-OFF) wurden dreimal an den Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und der Vergleichsbeispiele bei 25°C durchgeführt, dann wurde die Kapazität C1 beim dritten Mal gemessen. Danach wurden die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und Vergleichsbeispiele mit 0,5C CC/CV geladen (4,2 V 0,05C CUT-OFF). Die geladenen Lithium-Sekundärbatterien wurden 3 Wochen lang bei 60°C gelagert, dann zusätzlich 30 Minuten lang bei Raumtemperatur belassen und einer Entladung von 0,5C CC (2,75 V CUT-OFF) unterzogen, dann wurde die Entladekapazität C2 gemessen. Die Kapazitätserhaltungsrate wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 beschrieben und in
3 dargestellt. - (4) Messung der Anstiegsrate des Gleichstrom-Innenwiderstands (DCIR) nach Hochtemperaturlagerung
- Die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden einer 0,5C CC/CV-Ladung (4,2 V 0,05C CUT-OFF) bei 25°C und dann einer 0,5C CC-Entladung bis zu SOC 60 unterzogen. Am SOC 60-Punkt wurden die Lithium-Sekundärbatterien jeweils 10 Sekunden lang entladen beziehungsweise zusätzlich geladen, während die C-Rate auf 0,2C, 0,5C, 1C, 1,5C, 2C, 2,5C und 3,0C geändert wurde, dann wurde DCIR R1 gemessen. Die geladenen Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden 3 Wochen lang bei 60°C der Atmosphäre ausgesetzt und anschließend 30 Minuten lang bei Raumtemperatur belassen, dann wurde DCIR R2 nach der gleichen Methode wie oben beschrieben gemessen. Die Steigerungsrate des Innenwiderstands wurde mit der folgenden Gleichung berechnet, und die Ergebniswerte sind in Tabelle 2 unten beschrieben.
- Anstiegsrate des Innenwiderstands (%) = (R2-R1)/R1 × 100 (%)
- [TABELLE 2]
Anfangsleistung Hochtemperaturlagerung C-DCIR (mΩ) D-DCIR (mΩ) Dickenzunahmerate (%) Ret.(%) DCIR-Anstiegsrate (%) Beispiel 1 30.7 32.7 59 81 37 Beispiel 2 31.0 32.1 60 88 39 Beispiel 3 29.4 31.3 57 89 34 Beispiel 4 29.0 30.8 55 90 36 Beispiel 5 30.4 31.4 56 82 35 Beispiel 6 30.9 31.9 54 83 40 Vergleichsbeispiel 1 27.2 30.1 80 82 43 Vergleichsbeispiel 2 30.0 31.9 79 89 39 Vergleichsbeispiel 3 30.7 32.0 75 88 41 - Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, zeigten die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele ausgezeichnete Ergebnisse bei der Bewertung der Hochtemperaturspeicherungsleistung (das heißt der Dickenzunahmerate, der Kapazitätserhaltungsrate und der Widerstandszunahmerate).
- Bei den Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele wurde beispielsweise der Effekt der Verringerung der Dickenzunahmerate (das heißt der Effekt der Verringerung der Gasbildungsrate) deutlich verbessert.
- Es wurde beispielsweise bestätigt, dass die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Kapazitätserhaltungsrate aufweisen.
- So hatten die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele im Vergleich zu den Lithium-Sekundärbatterien des Vergleichsbeispiels eine verbesserte Wirkung bei der Verringerung der Widerstandszunahmerate.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- KR 1020160029566 [0008]
Claims (12)
- Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei X eine unsubstituierte C1-C3-Alkylengruppe ist. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei die durch Formel 1 dargestellte Lactonverbindung 2,3-Epoxy-γ-butyrolacton enthält. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei das Additiv in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten ist. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei das Additiv in einer Menge von 0,5 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten ist. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei der Elektrolyt des Weiteren mindestens ein Hilfsadditiv umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer zyklischen Carbonatverbindung, einer fluorsubstituierten zyklischen Carbonatverbindung, einer Sultonverbindung, einer zyklischen Sulfatverbindung und einer Oxalatophosphatverbindung besteht. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 6 , wobei das Hilfsadditiv in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrolyten, enthalten ist. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 6 , wobei das Gewichtsverhältnis des Hilfsadditivs zum Gewicht des Additivs in dem Elektrolyten 0,5 bis 10 beträgt. - Elektrolyt für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 , wobei das organische Lösungsmittel ein Lösungsmittel eines zyklischen Carbonats und ein Lösungsmittel eines linearen Carbonats enthält. - Lithium-Sekundärbatterie, umfassend: eine Kathode, die ein Lithium-Metalloxid als Kathodenaktivmaterial enthält; eine Anode, die so angeordnet ist, dass sie der Kathode gegenüberliegt; und den Elektrolyten für eine Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 1 . - Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 10 , wobei das Kathodenaktivmaterial ein nickelhaltiges Lithium-Metalloxid enthält. - Lithium-Sekundärbatterie nach
Anspruch 10 , wobei die Anode ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis als Anodenaktivmaterial enthält.
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