DE102023109782A1 - Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithiumionen zyklisieren - Google Patents

Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithiumionen zyklisieren Download PDF

Info

Publication number
DE102023109782A1
DE102023109782A1 DE102023109782.2A DE102023109782A DE102023109782A1 DE 102023109782 A1 DE102023109782 A1 DE 102023109782A1 DE 102023109782 A DE102023109782 A DE 102023109782A DE 102023109782 A1 DE102023109782 A1 DE 102023109782A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrolyte
equal
electrode
electroactive material
electrochemical cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023109782.2A
Other languages
English (en)
Inventor
Chuanlong WANG
Xiaosong Huang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102023109782A1 publication Critical patent/DE102023109782A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0567—Liquid materials characterised by the additives
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0568—Liquid materials characterised by the solutes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H01M10/0569—Liquid materials characterised by the solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • H01M2300/0028—Organic electrolyte characterised by the solvent
    • H01M2300/0037—Mixture of solvents
    • H01M2300/0042—Four or more solvents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0048—Molten electrolytes used at high temperature
    • H01M2300/0051—Carbonates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Es ist eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, vorgesehen. Die elektrochemische Zelle kann eine erste poröse Elektrode, eine zweite poröse Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht umfassen. Die erste poröse Elektrode umfasst einen Elektrolyten, der mit einem nickelreichen positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Die zweite poröse Elektrode umfasst den Elektrolyten, der mit einem siliciumbasierten negativen elektroaktiven Material vermischt ist. Der Elektrolyt umfasst größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% eines Elektrolytadditivs und ein Lösungsmittelgemisch. Das Elektrolytadditiv kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Kombinationen davon besteht. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von ungefähr 3:7 umfassen.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Es besteht ein 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-Akkumulatoren 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 flüssigem oder festem Elektrolyt 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. Im Fall von Festkörperakkumulatoren, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten (oder Festkörperseparator) umfassen, kann der Festkörperelektrolyt (oder Festkörperseparator) die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
  • Zur Herstellung von Komponenten für einen Lithium-Ionen-Akkumulator können viele verschiedene Materialien verwendet werden. Bei verschiedenen Aspekten umfassen positive Elektroden beispielsweise nickelreiche elektroaktive Materialien (z. B. einen Stoffmengenanteil von größer oder gleich ungefähr 0,8 auf dem Übergangsmetallgitter), wie NMC (LiNi1-x-yCoxMnyO2, wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,33, 0,01 ≤ y ≤ 0,33) oder NCMA (LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2, 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. größer 200 mAh/g) bereitzustellen und gleichzeitig eine zusätzliche Lithiumextraktion ohne Beeinträchtigung der strukturellen Stabilität der positiven Elektrode zu ermöglichen. Die negative Elektrode umfasst typischerweise ein Lithiumeinlagerungsmaterial oder ein Legierungswirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien für die Bildung einer Anode umfassen beispielsweise Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silicium und Siliciumoxid, 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-lonen-Akkumulatoren verwendet wird, sind Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität, z. B. mit hohen spezifischen Kapazitäten von ungefähr 900 mAh·g-1 bis ungefähr 4.200 mAh·g-1, von wachsendem Interesse. Silicium weist zum Beispiel die höchste bekannte theoretische Kapazität für Lithium (z. B. ungefähr 4.200 mAh·g-1) auf, was es zu einem attraktiven Material für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren macht. Solche Materialien sind jedoch während der Lithiierung und Delithiierung oft anfällig für eine enorme Volumenausdehnung, was zur Pulverisierung der Teilchen, zum Verlust des elektrischen Kontakts und zur Bildung einer instabilen Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (Solid Electrolyte Interface, SEI) führen kann, was einen Zusammenbruch der Elektrode und einen Kapazitätsabfall zur Folge hat. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Materialien sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben zu entwickeln, die diese Probleme lösen können.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektrolytsysteme für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren. Die Elektrolytsysteme können einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen. Die elektrochemische Zelle kann eine oder mehrere positive Elektroden mit nickelreichen elektroaktiven Materialien und eine oder mehrere negative Elektroden mit volumenvergrößernden negativen elektroaktiven Materialien, wie Silicium, umfassen.
  • Bei 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 umfassen. Die erste Elektrode kann ein nickelreiches positives elektroaktives Material umfassen, das größer oder gleich ungefähr 80 % Nickel (Ni) umfasst. Die zweite Elektrode kann ein siliciumbasiertes negatives elektroaktives Material umfassen. Die elektrochemische Zelle kann außerdem einen Elektrolyten umfassen, der mit dem nickelreichen positiven elektroaktiven Material in der ersten Elektrode und/oder dem siliciumbasierten negativen elektroaktiven Material in der zweiten Elektrode in Kontakt ist. Der Elektrolyt kann größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% eines Elektrolytadditivs umfassen. Das Elektrolytadditiv kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Kombinationen davon besteht.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittel umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die 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 besteht.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) ungefähr 3:7 betragen.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs umfassen.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolytadditiv Bernsteinsäureanhydrid (SA) umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann das nickelreiche positive elektroaktive Material wie folgt dargestellt sein: LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei M1 Nickel (Ni) umfasst und M2, M3 und M4 für Übergangsmetalle stehen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon besteht, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.
  • Bei einem Aspekt kann das nickelreiche positive elektroaktive Material wie folgt dargestellt sein: LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2 wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08.
  • Bei einem Aspekt kann die zweite Elektrode eine Verbundelektrode sein, die das siliciumbasierte negative elektroaktive Material und ein kohlenstoffhaltiges negatives elektroaktives Material umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann die Verbundelektrode größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des siliciumbasierten negativen elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen negativen elektroaktiven Materials umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann das siliciumbasierte negative elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Si, SiOx (wobei x ≤ 2), LixSiOy (wobei 2 ≤ x ≤ 6 and 4 ≤ y ≤ 7) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste poröse Elektrode, eine zweite poröse Elektrode und eine zwischen der ersten porösen Elektrode und der zweiten porösen Elektrode angeordnete Trennschicht umfassen. Die erste poröse Elektrode kann einen Elektrolyten umfassen, der mit einem positiven elektroaktiven Material vermischt ist, das wie folgt dargestellt ist: LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei M1 Nickel (Ni) umfasst und M2, M3 und M4 für Übergangsmetalle stehen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon besteht, wobei 0,8 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die zweite poröse Elektrode kann den Elektrolyten umfassen, der mit einem siliciumbasierten negativen elektroaktiven Material vermischt ist. Der Elektrolyt kann größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% eines Elektrolytadditivs umfassen. Das Elektrolytadditiv kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Kombinationen davon besteht.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) ungefähr 3:7 betragen.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs umfassen.
  • In einem Aspekt kann das Elektrolytadditiv Bernsteinsäureanhydrid (SA) umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann die zweite Elektrode eine Verbundelektrode sein, die das siliciumbasierte negative elektroaktive Material und ein kohlenstoffhaltiges negatives elektroaktives Material umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann die Verbundelektrode größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des siliciumbasierten negativen elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen negativen elektroaktiven Materials umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann das siliciumbasierte negative elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Si, SiOx (wobei x ≤ 2), LixSiOy (wobei 2 ≤ x ≤ 6 and 4 ≤ y ≤ 7) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste poröse Elektrode, eine zweite poröse Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Trennschicht umfassen. Die erste poröse Elektrode kann einen Elektrolyten umfassen, der mit einem positiven elektroaktiven Material vermischt ist, das wie folgt dargestellt ist: LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei M1 Nickel (Ni) umfasst und M2, M3 und M4 für Übergangsmetalle stehen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon besteht, wobei 0,8 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die zweite poröse Elektrode kann den Elektrolyten umfassen, der mit einem siliciumbasierten negativen elektroaktiven Material vermischt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Si, SiOx (wobei x ≤ 2), LixSiOy (wobei 2 ≤ x ≤ 6 und 4 ≤ y ≤ 7) und Kombinationen davon besteht. Der Elektrolyt kann größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% eines Elektrolytadditivs und ein Lösungsmittelgemisch umfassen. Das Elektrolytadditiv kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Kombinationen davon besteht. Das Lösungsmittelgemisch kann Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von ungefähr 3:7 umfassen.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 ist eine Veranschaulichung einer elektrochemischen Akkumulatorzelle mit einem oder mehreren Elektrolytadditiven gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladekapazität in Abhängigkeit vom Zyklus von beispielhaften Zellen verdeutlicht, die einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladungshaltung in Abhängigkeit vom Zyklus von beispielhaften Zellen verdeutlicht, die einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2C zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die elektrochemische Impedanz einer beispielhaften Zelle, die ein oder mehrere Elektrolytadditive umfasst, nach drei Bildungszyklen verdeutlicht, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2D zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladegeschwindigkeitsleistung einer beispielhaften Zelle verdeutlicht, die ein oder mehrere Elektrolytadditive umfasst, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladekapazität in Abhängigkeit vom Zyklus von beispielhaften Zellen verdeutlicht, die einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladungshaltung in Abhängigkeit vom Zyklus von beispielhaften Zellen verdeutlicht, die einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Da beispielhafte Ausführungsformen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang 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. Wie der Fachmann feststellen wird, müssen spezifische Details nicht verwendet werden, können beispielhafte Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollten keine davon so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der 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 dem- oder derselben „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 dem- oder derselben 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“, „zweite“ und andere numerische 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 beispielhaften Ausführungsformen 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 ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ gibt den angegebenen Zahlenwert sowohl genau als auch präzise an und bedeutet außerdem, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei 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 Offenbarung bezieht sich auf Elektrolytsysteme für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren. Die Elektrolytsysteme können einen oder mehrere Elektrolytadditive umfassen. Die elektrochemische Zelle kann eine oder mehrere positive Elektroden mit nickelreichen elektroaktiven Materialien und eine oder mehrere negative Elektroden mit volumenvergrößernden negativen elektroaktiven Materialien, wie Silicium, umfassen. 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, Geräten, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstungen und Möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstung, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Obwohl die nachfolgend im Detail beschriebenen veranschaulichten Beispiele eine einzelne der positiven Elektrode zugeordnete Kathode und eine einzelne Anode umfassen, wird der Fachmann ferner 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 dieselben angeordnet sind.
  • Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Akkumulator bezeichnet) 20 ist in 1 gezeigt. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 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. Bei verschiedenen Aspekten kann der Separator 26 einen Elektrolyten 30 umfassen, der bei bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorliegen kann, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem Semifestkörperelektrolyten (z. B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein. Bei Festkörperakkumulatoren und/oder Semifestkörperakkumulatoren können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen definieren, kann identisch mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen oder davon verschieden 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 im Bereich 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 dies nicht veranschaulicht ist, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Abwandlungen 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 feststellen, dass bei anderen Abwandlungen 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 können. In jedem Fall kann der erste Stromkollektor 32 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
  • Ein zweiter Stromkollektor 34 (z. B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder im Bereich 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 positive Elektrodenanordnung bezeichnet werden. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, wird der Fachmann feststellen, dass bei bestimmten Abwandlungen 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 feststellen, dass bei anderen Abwandlungen 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 der zweiten Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist.
  • Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden. Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres 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 eingelagertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zu der positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 in der Regel 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 Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität des Akkumulators 20 verringert ist.
  • Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an den Lithium-Ionen-Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators stattfinden. Der Anschluss einer externen elektrischen Stromquelle an den Akkumulator 20 fördert eine Reaktion, z. B. eine nicht-spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Akkumulatorentladevorgangs aufzufüllen. Als solcher wird jeder vollständige Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, 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 des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
  • In vielen Lithium-Ionen-Akkumulator-Anordnungen 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 einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung lieferndes Paket zu erhalten. Bei verschiedenen Aspekten kann der Akkumulator 20 außerdem eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Akkumulatorpole und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden. Der in 1 gezeigte Akkumulator 20 umfasst einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte für den Akkumulatorbetrieb.
  • Die Größe und Form des Akkumulators 20 können je nach der speziellen Anwendung, für die er ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallel geschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann der Akkumulator 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich der Akkumulator 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 20 zum Zwecke 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 das Elektrolytsystem 30 in ihren Poren umfassen, die bzw. das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, ob 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 dem Lithium-Ionen-Akkumulator 20 verwendet werden. Bei jeder Abwandlung umfasst der Elektrolyt 30 ein Elektrolytadditiv. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 30 größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,8 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2,5 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1,0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Gew.-% des Elektrolytadditivs umfassen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann das Elektrolytadditiv Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und/oder andere Verbindungen mit ähnlichen funktionellen Gruppen (z. B. Acyl-O-Acyl oder RC(=O)OC(=O)) umfassen. Das Elektrolytadditiv kann dazu beitragen, Nebenreaktionen zwischen dem elektroaktiven Material (z. B. den positiven elektroaktiven Materialien) und dem Elektrolyten 30 zu verringern oder zu unterdrücken. Beispielsweise kann das Elektrolytadditiv während eines ersten Zyklus oder eines Bildungszyklus und/oder nach Hochtemperaturzyklen (z. B. bei ungefähr 55 °C) dazu beitragen, dass sich auf freiliegenden Oberflächen des positiven elektroaktiven Materials eine Schicht oder ein Film aus einer Kathoden-Elektrolyt-Zwischenphase (Cathode Electrolyte Interphase, CEI) bildet. Die Schicht oder der Film aus der Kathoden-Elektrolyt-Zwischenphase kann die Oberflächenaktivität des positiven elektroaktiven Materials verringern und dazu beitragen, die Zyklisierungsstabilität und die Entladegeschwindigkeitsleistung des Akkumulators 20 zu verbessern. Zusätzlich kann die aufgrund des Elektrolytadditivs gebildete, im Wesentlichen gleichmäßige Kathoden-Elektrolyt-Zwischenphasenschicht (CEI-Schicht) dazu beitragen, die Migration von Übergangsmetallen abzuschwächen, die Polarisierung oder lokale Überladung zu verhindern und Flusssäurespezies (HF-Spezies) abzufangen, was zur Verbesserung der elektrochemischen Leistung beitragen kann.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein Lithiumsalz umfasst, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst ist. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorophosphat (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)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen davon.
  • 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), cyclische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan und dergleichen), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon umfassen.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann das Lösungsmittel ein Gemisch aus Lösungsmitteln umfassen. Der Elektrolyt 30 kann zum Beispiel ein erstes und ein zweites Lösungsmittel umfassen. Das erste und das zweite Lösungsmittel können jeweils aus der Gruppe ausgewählt sein, die 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 besteht. Bei bestimmten Abwandlungen können das erste Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC) und das zweite Lösungsmittel Dimethylcarbonat (DMC) umfassen. Das Verhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 1:9 bis kleiner oder gleich ungefähr 5:5 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3:7 betragen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 beispielsweise 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch umfassen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 im Wesentlichen aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 aus 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) und ungefähr 1 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) in einem Lösungsmittelgemisch bestehen, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Der Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin umfasst. 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. Bei 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 umfassen CELGARD® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC angeboten werden.
  • Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. Bei 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 zum Beispiel u. a. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Cellulose oder jedes andere Material, das 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.
  • Bei bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner ein keramisches Material und/oder ein hitzebeständiges Material umfassen. Der Separator 26 kann zum Beispiel auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden. Das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material können auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2) und Kombinationen davon besteht. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus NOMEX™-Meta-Aramid (z. B. einem aromatischen Polyamid, das durch eine Kondensationsreaktion aus den Monomeren m-Phenylendiamin und Isophthaloylchlorid entsteht), ARAMID, einem aromatischen Polyamid, und Kombinationen davon besteht.
  • Es sind verschiedene herkömmlich erhältliche Polymere und handelsübliche Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen polymeren Separators 26 eingesetzt werden können, denkbar. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 Mikrometer (µm) bis kleiner oder gleich ungefähr 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen.
  • Bei verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30, der in dem porösen Separator 26, wie er in 1 veranschaulicht ist, angeordnet ist, durch einen Festkörperelektrolyten (Solid-State Electrolyte, SSE) und/oder einen Semifestkörperelektrolyten (z. B. Gel) ersetzt sein, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörperelektrolyt und/oder Semifestkörperelektrolyt können beispielsweise zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörperelektrolyt und/oder der Semifestkörperelektrolyt ermöglichen den Transfer von Lithiumionen und sorgen gleichzeitig für eine mechanische Trennung und elektrische Isolierung zwischen der negativen und der positiven Elektrode 22, 24. Als nicht einschränkendes Beispiel können der Festkörperelektrolyt und/oder der Semifestkörperelektrolyt eine Vielzahl von Füllstoffen umfassen, wie z. B. LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99 Ba0,005ClO oder Kombinationen davon. Der Semifestkörperelektrolyt kann einen Polymerwirt und einen flüssigen Elektrolyten umfassen. 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 umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann sich der halbfeste oder gelförmige Elektrolyt auch in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 befinden. In jedem Fall umfassen der Festkörperelektrolyt und/oder der Semifestkörperelektrolyt jedoch das oben beschriebene Elektrolytadditiv.
  • Die negative Elektrode 22 ist aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet, das in der Lage ist, als Minuspol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Bei verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialteilchen definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder der mehreren Schichten) eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 0 Nanometer (nm) bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm, optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
  • Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein siliciumbasiertes negatives elektroaktives Material umfassen, z. B. Lithium-Silicium, siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2), lithiumdotiertes SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo, SnO2 und dergleichen). Bei anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere andere volumenvergrößernde negative elektroaktive Materialien (z. B. Aluminium, Germanium, Zinn) umfassen. Bei wieder anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z. B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 z. B. durch eine Lithiummetallfolie definiert sein. Bei wieder anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 nur zum Beispiel kohlenstoffhaltige negative elektroaktive Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen.
  • Bei weiteren Abwandlungen kann es sich bei der negativen Elektrode 22 um eine Verbundelektrode handeln, die eine Kombination aus negativen elektroaktiven Materialien umfasst. Die negative Elektrode 22 kann zum Beispiel ein erstes negatives elektroaktives Material und ein zweites negatives elektroaktives Material umfassen. Das Verhältnis zwischen dem ersten negativen elektroaktiven Material und dem zweiten negativen elektroaktiven Material kann größer oder gleich ungefähr 5:95 bis kleiner oder gleich ungefähr 95:5 betragen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das erste negative elektroaktive Material ein volumenvergrößerndes Material sein, das z. B. Silicium, Aluminium, Germanium und/oder Zinn umfasst, und das zweite negative elektroaktive Material kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z. B. Graphit, Hartkohlenstoff und/oder Weichkohlenstoff) umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise einen auf kohlenstoffhaltigem Silicium basierenden Verbundwerkstoff umfassen, der z. B. ungefähr 10 Gew.-% SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2) und ungefähr 90 Gew.-% Graphit umfasst.
  • Bei jeder Abwandlung kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektronisch leitenden Material (d. h. einem leitenden Additiv) vermischt sein, das einen elektronenleitenden Pfad und/oder ein polymeres Bindemittel bereitstellt, der bzw. das die strukturelle Intaktheit der negativen Elektrode 22 verbessert. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen.
  • Beispielhafte polymere Bindemittel umfassen Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyacrylsäure (PAA), Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Elektronisch leitende Materialien können z. B. kohlenstoffbasierte Materialien, pulverförmiges Nickel oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Kohlenstoffbasierte Materialien können beispielsweise Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitende Industrieruße (z. B. SuperP (SP)) und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitendes Polymer umfassen Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Die positive Elektrode 24 ist aus einem lithiumbasierten aktiven Material gebildet, das in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als positiver Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen 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. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine nickelreiche Kathode sein, die ein positives elektroaktives Material umfasst, das wie folgt dargestellt ist: LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei M1, M2, M3 und M4 jeweils für ein Übergangsmetall stehen (z. B. ist jedes jeweils aus der Gruppe ausgewählt, die aus Nickel (Ni), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon besteht), wobei 0 ≤ x ≤1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel NMC (LiNixCoyMn1-x-yO2, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCA (LiNixCoyAl1-x-yO2, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4) und/oder NCMA (LiNixCoyMnzAl1-x-y-zO2, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 0,4, 0 ≤ z ≤ 0,4) umfassen.
  • Bei anderen Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien mit einer Spinellstruktur (wie Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO) und/oder Lithiummangannickeloxid (LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (LNMO) (z. B. LiMn1,5N10,5O4)), ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur (wie Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2) (LCO)) und/oder ein Lithium-Eisen-Polyanion-Oxid mit einer Olivinstruktur (wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) (LFP), Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3) (LMFP), und/oder Lithiumeisenfluorophosphat (Li2FePO4F)) umfassen.
  • Bei wieder anderen Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Verbundelektrode sein, die zwei oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfasst. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel ein erstes positives elektroaktives Material und ein zweites positives elektroaktives Material umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Verhältnis zwischen dem ersten positiven elektroaktiven Material und dem zweiten positiven elektroaktiven Material größer oder gleich ungefähr 1:9 bis kleiner oder gleich ungefähr 9:1 sein. Das erste positive elektroaktive Material kann das nickelreiche positive elektroaktive Material umfassen. Das zweite positive elektroaktive Material kann zum Beispiel ein geschichtetes Oxid, das durch LiMeO2 dargestellt ist, umfassen, wobei Me für ein Übergangsmetall steht, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, ein Oxid vom Olivin-Typ, das durch LiMePO4 dargestellt ist, wobei Me für ein Übergangsmetall steht, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, ein Oxid vom monoklinen Typ, das durch Li3Me2(PO4)3 dargestellt ist, wobei Me für ein Übergangsmetall steht, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, ein Oxid vom Spinell-Typ, das durch LiMe2O4 dargestellt ist, wobei Me für ein Übergangsmetall steht, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon, und/oder ein Tavorit, das durch LiMeSO4F und/oder LiMePO4F dargestellt ist, wobei Me für ein Übergangsmetall steht, wie Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V), oder Kombinationen davon.
  • Bei jeder Abwandlung kann das positive elektroaktive Material außerdem optional mit einem elektronisch leitenden Material (d. h. einem leitenden Additiv) vermischt sein, das einen elektronenleitenden Pfad und/oder ein polymeres Bindemittel bereitstellt, der bzw. das die strukturelle Intaktheit der positiven Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 97 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen. Das in der positiven Elektrode 24 enthaltene leitende Additiv und/oder das darin enthaltene Bindemittel können mit dem in der negativen Elektrode 22 enthaltenen leitenden Additiv identisch oder davon verschieden sein.
  • Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
  • Beispiel 1
  • Beispielhafte Akkumulatoren und Akkumulatorzellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • Eine erste beispielhafte Zelle 210 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine zweite beispielhafte Zelle 220 kann einen zweiten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 3 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine dritte beispielhafte Zelle 230 kann einen dritten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 5 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine erste Vergleichszelle 240 kann einen vierten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine zweite Vergleichszelle 250 kann einen fünften Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), ungefähr 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und ungefähr 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Die beispielhaften Zellen 210, 220, 230 und auch die Vergleichszellen 240, 250 können jeweils eine nickelreiche Kathode (z. B. mit NCMA) und eine siliciumhaltige Anode (z. B. mit ungefähr 5,5 Gew.-% SiOx (wobei 0,1 < x < 2) gemischt mit Graphit) umfassen. Die nickelreiche Kathode kann außerdem ein oder mehrere leitende Additive (z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT), SuperP (SP) und/oder Graphenplättchen (GNP)) und ein oder mehrere Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF)) umfassen. Die nickelreiche Kathode kann eine Ladung von ungefähr 5,0 mAh/cm2 aufweisen. Die siliciumhaltige Anode kann außerdem ein oder mehrere leitende Additive (z. B. SuperP (SP)) und/oder ein oder mehrere Bindemittel (z. B. Carboxymethylcellulose (CMC) und/oder Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)) umfassen.
  • 2A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazität der beispielhaften Zellen 210, 220, 230 gegenüber den Vergleichszellen 240, 250 verdeutlicht, wobei die x-Achse 200 den Zyklus darstellt und die y-Achse 202 die Entladekapazität (mAh) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Zelle 210 gegenüber der Vergleichszelle 240 eine verbesserte Kapazitätsabgabe und gegenüber der Vergleichszelle 250 eine ähnliche Leistung auf.
  • 2B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladungshaltung (%) der beispielhaften Zellen 210, 220, 230 gegenüber den Vergleichszellen 240, 250 verdeutlicht, wobei die x-Achse 280 den Zyklus darstellt und die y-Achse 282 die Entladungshaltung (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weisen die beispielhaften Zellen 210, 220 gegenüber den Vergleichszellen 240, 250 eine höhere Zyklisierungsstabilität über 500 Zyklen auf. Beispielsweise können die erste beispielhafte Zelle 210 eine Ladungshaltung von ungefähr 83,48 % und die zweite beispielhafte Zelle 220 eine Ladungshaltung von ungefähr 85,10 % aufweisen, während die erste Vergleichszelle 240 eine Ladungshaltung von ungefähr 76,03 % und die zweite Vergleichszelle 250 eine Ladungshaltung von ungefähr 78,11 % aufweisen können.
  • 2C zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Messung der elektrochemischen Impedanz (EIS) nach drei Bildungszyklen (C/20) bei 4,2 V der ersten beispielhaften Zelle 210 gegenüber der Vergleichszelle 240 verdeutlicht, wobei die x-Achse 290 Z' (Ohm) und die y-Achse 292 Z'' (Ohm) darstellen. Wie veranschaulicht, weist die erste beispielhafte Zelle 210, die das Elektrolytadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst, eine verringerte Zellimpedanz und Polarisation auf.
  • 2D zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladegeschwindigkeitsleistung der ersten beispielhaften Zelle 210 gegenüber den Vergleichszellen 240, 250 verdeutlicht, wobei die x-Achse 296 den Zyklus darstellt und die y-Achse 298 die Kapazität (mAh) darstellt und die Entladung bei verschiedenen Geschwindigkeiten erfolgt, einschließlich 0,2 C, 0,333 C, 1 C, 2 C, 3 C, 4 C und 0,2 C. Das Laden der ersten beispielhaften Zelle 210 ist durch 210A dargestellt. Das Entladen der ersten beispielhaften Zelle ist durch 21 0B dargestellt. Das Laden der ersten Vergleichszelle 240 ist durch 240A dargestellt. Das Entladen der ersten Vergleichszelle 240 ist durch 240B dargestellt. Das Laden der zweiten Vergleichszelle 250 ist durch 250A dargestellt. Das Entladen der zweiten Vergleichszelle 250 ist durch 250B dargestellt. Wie veranschaulicht, weist die erste beispielhafte Zelle 210, die das Elektrolytadditiv gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst, eine verbesserte Entladegeschwindigkeitsleistung auf.
  • Beispiel 2
  • Beispielhafte Akkumulatoren und Akkumulatorzellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
  • Eine erste beispielhafte Zelle 310 kann beispielsweise einen ersten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine zweite beispielhafte Zelle 320 kann einen zweiten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 3 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine dritte beispielhafte Zelle 330 kann einen dritten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 5 Gew.-% Bernsteinsäureanhydrid (SA) und ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine erste Vergleichszelle 340 kann einen vierten Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Eine zweite Vergleichszelle 350 kann einen fünften Elektrolyten umfassen, der im Wesentlichen aus ungefähr 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), ungefähr 1 Gew.-% Vinylencarbonat (VC) und ungefähr 2 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) in einem Lösungsmittelgemisch besteht, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) in einem Massenverhältnis von 3:7 umfasst.
  • Die beispielhaften Zellen 310, 320, 330 und auch die Vergleichszellen 240, 250 können jeweils eine nickelreiche Kathode (z. B. mit NCMA) und eine siliciumhaltige Anode (z. B. mit ungefähr 20 Gew.-% LixSiOy (wobei 2≤ x ≤ 6 und 4 ≤ y ≤ 7) gemischt mit Graphit) umfassen. Die nickelreiche Kathode kann außerdem ein oder mehrere leitende Additive (z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT), SuperP (SP) und/oder Graphenplättchen (GNP)) und ein oder mehrere Bindemittel (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF)) umfassen. Die nickelreiche Kathode kann eine Ladung von ungefähr 5,0 mAh/cm2 aufweisen. Die siliciumhaltige Anode kann außerdem ein oder mehrere leitende Additive (z. B. SuperP (SP)) und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT)) und/oder ein oder mehrere Bindemittel (z. B. Carboxymethylcellulose (CMC) und/oder Natriumpolyacrylat (NaPAA)) umfassen.
  • 3A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Kapazität der beispielhaften Zellen 310, 320, 330 gegenüber den Vergleichszellen 340, 350 verdeutlicht, wobei die x-Achse 300 den Zyklus darstellt und die y-Achse 302 die Entladekapazität (mAh) darstellt. Wie veranschaulicht, weisen die beispielhaften Zellen 310, 320 gegenüber der Vergleichszelle 340 eine verbesserte Entladungshaltungsabgabe und gegenüber der Vergleichszelle 350 eine ähnliche Leistung auf.
  • 3B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Ladungshaltung (%) der beispielhaften Zellen 310, 320, 330 gegenüber den Vergleichszellen 340, 350 verdeutlicht, wobei die x-Achse 380 den Zyklus darstellt und die y-Achse 382 die Entladungshaltung (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weisen die beispielhaften Zellen 310, 320 gegenüber der Vergleichszelle 340 eine höhere Zyklisierungsstabilität über 500 Zyklen auf. Beispielsweise können die erste beispielhafte Zelle 310 eine Ladungshaltung von ungefähr 89,97 % und die zweite beispielhafte Zelle 320 eine Ladungshaltung von ungefähr 86,49 % aufweisen, während die erste Vergleichszelle 340 eine Ladungshaltung von ungefähr 83,94 % und die zweite Vergleichszelle 350 eine Ladungshaltung von ungefähr 87,35 % aufweisen können.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. 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. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims (10)

  1. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine erste Elektrode, die ein nickelreiches positives elektroaktives Material umfasst, das größer oder gleich ungefähr 80 % Nickel (Ni) umfasst, eine zweite Elektrode, die ein siliciumbasiertes negatives elektroaktives Material umfasst, eine Trennschicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, und einen Elektrolyten, der größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Gew.-% eines Elektrolytadditivs umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bernsteinsäureanhydrid (SA), Maleinsäureanhydrid, N-Carboxyanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Isatinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid und Kombinationen davon besteht, und in Kontakt mit dem nickelreichen positiven elektroaktiven Material in der ersten Elektrode und/oder dem siliciumbasierten negativen elektroaktiven Material in der zweiten Elektrode ist.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die 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 besteht.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ferner ein Lösungsmittelgemisch umfasst, das Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) umfasst.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei das Massenverhältnis zwischen dem Ethylencarbonat (EC) und dem Dimethylcarbonat (DMC) ungefähr 3:7 beträgt.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ungefähr 1 Gew.-% des Elektrolytadditivs umfasst.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei das Elektrolytadditiv Bernsteinsäureanhydrid (SA) umfasst.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das nickelreiche positive elektroaktive Material wie folgt dargestellt ist: LiM1 xM2 yM3 zM4 (1-x-y-z)O2 wobei M1 Nickel (Ni) umfasst und M2, M3 und M4 für Übergangsmetalle stehen, die jeweils aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Mangan (Mn), Cobalt (Co), Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Kombinationen davon besteht, wobei 0,8 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ z ≤ 1.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das nickelreiche positive elektroaktive Material wie folgt dargestellt ist: LiNi1-x-y-zCoxMnyAlzO2 wobei 0,02 ≤ x ≤ 0,20, 0,01 ≤ y ≤ 0,12, 0,01 ≤ z ≤ 0,08.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode eine Verbundelektrode ist, die größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des siliciumbasierten negativen elektroaktiven Materials und größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% eines kohlenstoffhaltigen negativen elektroaktiven Materials umfasst.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das siliciumbasierte negative elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Si, SiOx (wobei x ≤ 2), LixSiOy (wobei 2 ≤ x ≤ 6 und 4 ≤ y ≤ 7) und Kombinationen davon besteht.
DE102023109782.2A 2022-09-01 2023-04-19 Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithiumionen zyklisieren Pending DE102023109782A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/901,298 2022-09-01
US17/901,298 US20240079649A1 (en) 2022-09-01 2022-09-01 Electrolytes for electrochemical cells that cycle lithium ions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023109782A1 true DE102023109782A1 (de) 2024-03-07

Family

ID=89905352

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023109782.2A Pending DE102023109782A1 (de) 2022-09-01 2023-04-19 Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithiumionen zyklisieren

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240079649A1 (de)
CN (1) CN117638219A (de)
DE (1) DE102023109782A1 (de)

Also Published As

Publication number Publication date
US20240079649A1 (en) 2024-03-07
CN117638219A (zh) 2024-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019111559A1 (de) Silizium-anodenmaterialien
DE102022105212A1 (de) Stromkollektoren mit Oberflächenstrukturen zum Steuern der Bildung von Festelektrolyt-Grenzschichten
DE102021114594A1 (de) Dicke elektroden für elektrochemische zellen
DE102022130523B4 (de) Zusatzstoffe aus kristallinem material für dicke elektroden
DE102022117453B3 (de) Elektrolytadditive für kondensatorgestützten akkumulator
DE102022119823A1 (de) Verfahren zur herstellung von zweidimensionalen anodenmaterialien
DE102022109020A1 (de) Überlithiierte kathodenmaterialien und verfahren zu deren herstellung
DE102022108466A1 (de) Geschichtete anodenmaterialien
DE102022108412A1 (de) Passiver ionenaustausch für die herstellung eines geschichteten anodenmaterials
DE102021114600A1 (de) Elastische bindepolymere für elektrochemische zellen
DE102021112634A1 (de) Elektrolyt auf propylencarbonatbasis mit verlängerter langlebigkeit
DE102022115007B3 (de) Cobaltfreie elektrochemische hochleistungszelle
DE102023109782A1 (de) Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithiumionen zyklisieren
DE102023101042A1 (de) Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithium-ionen zyklisieren
DE102023111415A1 (de) Elektrolyte für elektrochemische zellen, die lithium-ionen zyklisieren
DE102022128085A1 (de) Elektrolyt-additiv für nickelreiche kathoden und siliciumhaltige anoden
DE102023100907A1 (de) Teilchenschutzbeschichtungen für elektroaktive materialteilchen und verfahren zu deren herstellung
DE102022127844A1 (de) Elektrolytadditive für lithiumreiche schichtkathoden
DE102022118341A1 (de) Lithiumionen-batterie, die anodenfreie zellen enthält
DE102023101041A1 (de) Nitratsalz-kathodenadditive und verfahren zu deren verwendung und bildung
DE102022128284A1 (de) Lithiumhaltige teilchenbeschichtungen für positive elektroaktive materialien
DE102022130520A1 (de) Hybridbatterie mit verbesserter wärmestabilität und verbessertem leistungsverhalten
DE102023111254A1 (de) Siliciumhaltige Elektroden und Verfahren zu deren Herstellung
DE102023100818A1 (de) Poröse vorlithiierungsschicht für elektrochemische zelle und verfahren zu deren bildung
DE102022127969A1 (de) Elektrode mit alternierend geschichteter struktur

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed