EA040496B1 - LITHIUM SULFUR (LIS) BATTERY WITH LOW SOLVATIVE ELECTROLYTE - Google Patents
LITHIUM SULFUR (LIS) BATTERY WITH LOW SOLVATIVE ELECTROLYTE Download PDFInfo
- Publication number
- EA040496B1 EA040496B1 EA202191834 EA040496B1 EA 040496 B1 EA040496 B1 EA 040496B1 EA 202191834 EA202191834 EA 202191834 EA 040496 B1 EA040496 B1 EA 040496B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- electrolyte
- sulfur
- cathode
- current collector
- separator
- Prior art date
Links
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к литий-серной (LiS) батарее с электролитом с низкой сольватирующей способностью.The invention relates to a lithium-sulfur (LiS) battery with a low solvating electrolyte.
Уровень техникиState of the art
В литий-серных (LiS) батарейных ячейках, содержащих жидкость, обычно используют электролиты, в которых большая часть электрохимически активной серы, особенно полисульфидов, растворена в электролите.Liquid-containing lithium-sulfur (LiS) battery cells typically use electrolytes in which most of the electrochemically active sulfur, especially polysulfides, is dissolved in the electrolyte.
Примеры раскрыты в US 7354680, переуступленном Sion Power, в частности, раскрыты электролиты, содержащие ациклический простой эфир, например 1,3-диоксолан (DOL, C3H5O2), и циклический простой эфир, например диметоксиэтан (DME), а также соли лития, например LiN(CF3SO2)2 (литиевая соль бис(трифторметан)сульфонимида), которую также называют LiTFSI. Кроме того, электролит содержит нитрат лития LiNO3 в качестве добавки, которая обычно, как считают, предотвращает быстрое снижение производительности батареи из-за миграции полисульфидов. Однако образование газов является одной из проблем этой технологии.Examples are disclosed in US 7,354,680 assigned to Sion Power, specifically disclosed are electrolytes containing an acyclic ether such as 1,3-dioxolane (DOL, C 3 H 5 O 2 ) and a cyclic ether such as dimethoxyethane (DME), and also lithium salts, for example LiN(CF 3 SO2) 2 (lithium salt of bis(trifluoromethane)sulfonimide), which is also called LiTFSI. In addition, the electrolyte contains lithium nitrate LiNO3 as an additive, which is generally believed to prevent a rapid decrease in battery performance due to polysulfide migration. However, the formation of gases is one of the problems of this technology.
Альтернативные подходы включают электролиты с низкой сольватирующей способностью, в которых электрохимически активная сера растворена лишь умеренно. В уровне техники для батарейных электролитов используют термин низкосольватирующий вместе с термином умеренно сольватирующий, т.е. эти электролиты растворяют только небольшое количество доступных полисульфидов.Alternative approaches include low solvating electrolytes in which electrochemically active sulfur is only sparingly dissolved. In the prior art for battery electrolytes, the term low solvating is used together with the term moderately solvating, i.e. these electrolytes dissolve only a small amount of available polysulfides.
Поскольку нет необходимости в большом объеме для растворения полисульфидов, можно использовать меньшие количества электролита, что, в свою очередь, снижает общий вес ячейки и, следовательно, имеется потенциал для соответствующего увеличения удельной энергии.Since there is no need for a large volume to dissolve the polysulfides, smaller amounts of electrolyte can be used, which in turn reduces the overall weight of the cell and hence the potential for a corresponding increase in energy density.
Эту тему обсуждают в статье Sparingly Solvating Electrolytes for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries, опубликованной Cheng, Curtiss, Za-vadil, Gewirth, Shao и Gallagher в 2016 г. в журнале ACS Energy Letters, который доступен в сети Интернет по адресу: http://pubs.acs.org/journal/aelccp. В этой статье сообщают, что для того, чтобы конкурировать с литий-ионной технологией в отношении удельной энергии, необходимо около 1 мл электролита на 1 г серы, но достижение такого низкого количества считается сложной задачей.This topic is discussed in the article Sparingly Solvating Electrolytes for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries published by Cheng, Curtiss, Za-vadil, Gewirth, Shao and Gallagher in 2016 in ACS Energy Letters, which is available online at: http ://pubs.acs.org/journal/aelccp. This article reports that about 1 ml of electrolyte per gram of sulfur is needed to compete with lithium-ion technology in terms of energy density, but achieving such a low amount is considered a challenge.
Еще одно обсуждение можно найти в статье Directing the Lithium-Sulfur Reaction Pathway via Sparingly Solvating Electrolytes for High Energy Density Batteries, опубликованной Lee, Pang, Ha, Cheng, SangDon Han, Zavadil, Gallagher, Nazar, и Balasubramanian в 2017 г. в журнале ACS Central Science, который доступен в сети Интернет по адресу: http://pubs.acs.org/journal/acscii.Another discussion can be found in Directing the Lithium-Sulfur Reaction Pathway via Sparingly Solvating Electrolytes for High Energy Density Batteries published by Lee, Pang, Ha, Cheng, SangDon Han, Zavadil, Gallagher, Nazar, and Balasubramanian in 2017 in the journal ACS Central Science, available online at http://pubs.acs.org/journal/acscii.
Примеры электролитов с умеренной сольватирующей способностью раскрыты в китайских патентных заявках CN 107681197 A, CN 108054350 A, CN 108281633 A и CN 108091835 A. Другие примеры раскрыты в WO 2018/004110 на корейском языке, особенно смесь циклического простого эфира, например DOL, и простого гликолевого эфира для такого электролита, который также содержит соль лития.Examples of moderately solvating electrolytes are disclosed in Chinese patent applications CN 107681197 A, CN 108054350 A, CN 108281633 A and CN 108091835 A. Other examples are disclosed in Korean WO 2018/004110, especially a mixture of a cyclic ether such as DOL and a glycol ether for such an electrolyte, which also contains a lithium salt.
Другие примеры электролитов с умеренной сольватирующей способностью раскрыты в заявке на патент Германии DE 102017209790.6, переуступленной Fraunhofer, a также в соответствующей международной заявке на патент WO 2018/224374. В этих публикациях предпочтительный электролит содержит простой гексилметиловый эфир (НМЕ) и 1,2-диметоксиэтан в объемном отношении 80:20. Другие примеры электролитов с НМЕ и дополнительным простым эфиром не раскрыты в WO 2018/224374 конкретно.Other examples of moderately solvating electrolytes are disclosed in the German patent application DE 102017209790.6 assigned to Fraunhofer and in the corresponding international patent application WO 2018/224374. In these publications, the preferred electrolyte contains hexyl methyl ether (HME) and 1,2-dimethoxyethane in a volume ratio of 80:20. Other examples of electrolytes with HME and additional ether are not specifically disclosed in WO 2018/224374.
Как следует из вышеизложенного, в целом были предложены электролиты с умеренной сольватирующей способностью и было признано, что возможность использования их в малых количествах является преимуществом. Однако практического технического решения пока не предложено. В частности, до сих пор не найдено удовлетворительного технического решения для электрохимических ячеек с содержанием электролита всего 2 мл электролита/1 г или даже меньше.As follows from the above, in general, electrolytes with moderate solvating power have been proposed and it has been recognized that the possibility of using them in small quantities is an advantage. However, no practical technical solution has yet been proposed. In particular, no satisfactory technical solution has yet been found for electrochemical cells with an electrolyte content of only 2 ml of electrolyte/1 g or even less.
Описание/сущность изобретенияDescription/Summary of the Invention
Следовательно, цель изобретения состоит в усовершенствовании в данной области техники. В частности, целью является создание LiS-батареи с высокой удельной энергией. Еще одной целью является создание электрохимической ячейки с малым количеством электролита с умеренной сольватирующей способностью, в частности с количеством электролита, составляющем менее 2 мл/г.Therefore, the purpose of the invention is to improve the art. In particular, the goal is to provide a LiS battery with a high energy density. Another object is to provide an electrochemical cell with a small amount of electrolyte with moderate solvating power, in particular with an electrolyte amount of less than 2 ml/g.
Этих целей достигают с помощью литий-серной (LiS) батарейной ячейки, как более подробно будет объяснено ниже. В частности, было продемонстрировано, что конструкция литий-серной (LiS) батареи возможна с объемами электролита менее 2 мл/г серы. Экспериментально электрохимические ячейки с высокой удельной энергией более 400 Вт-ч/кг были получены с объемами электролитов всего 1,6 мл/г. Здесь относительные объемы электролита даны в мл электролита на грамм серы (мл/г), что эквивалентно единицам мкл/мг.These goals are achieved with a lithium sulfur (LiS) battery cell, as will be explained in more detail below. In particular, it has been demonstrated that a lithium sulfur (LiS) battery design is possible with electrolyte volumes of less than 2 ml/g sulfur. Experimentally, electrochemical cells with high energy density over 400 Wh/kg have been obtained with electrolyte volumes as low as 1.6 ml/g. Here, the relative volumes of electrolyte are given in ml of electrolyte per gram of sulfur (ml/g), which is equivalent to the units of µl/mg.
Термин умеренно сольватирующий используют для электролитов, предназначенных для растворения только небольшой доли доступных полисульфидов во время заряда и разряда батареи. Например, доля составляет менее 5%, возможно менее 2%.The term moderately solvating is used for electrolytes designed to dissolve only a small fraction of the available polysulfides during battery charging and discharging. For example, the share is less than 5%, possibly less than 2%.
Электрохимическая ячейка содержит: отрицательный литиевый электрод; положительный серный электрод, причем серный электрод включает электропроводящую пористую углеродную матрицу, в по- 1 040496 рах которой содержится сера; токоприемник, примыкающий к серному электроду; сепаратор, расположенный между литиевым электродом и серным электродом; электролит, расположенный между электродами для переноса ионов Li между электродами.The electrochemical cell contains: a negative lithium electrode; a positive sulfur electrode, wherein the sulfur electrode includes an electrically conductive porous carbon matrix, the pores of which contain sulfur; a current collector adjacent to the sulfuric electrode; a separator located between the lithium electrode and the sulfur electrode; an electrolyte located between the electrodes for transferring Li ions between the electrodes.
Хорошие результаты были получены с электролитом, который содержит неполярный ациклический нефторированный простой эфир, в частности гексилметиловый эфир, С7Н16О (HME), и полярный простой эфир, в частности 1,3-диоксолан С3Н6О2 (DOL).Good results have been obtained with an electrolyte which contains a non-polar acyclic non-fluorinated ether, in particular hexyl methyl ether, C7H 16 O (HME), and a polar ether, in particular 1,3-dioxolane C 3 H 6 O 2 (DOL).
Возможно, эта смесь может быть представлена в объемном отношении HME:DOL, находящемся в диапазоне от 2:1 до 1:2, возможно, диапазон является открытым диапазоном, так что конечные точки могут не быть включены в диапазон. Например, диапазон составляет от 1,5:1 до 1:1,5, возможно около 1:1, например, от 1:1,2 до 1,2:1.Possibly this mixture can be represented in a HME:DOL volume ratio ranging from 2:1 to 1:2, possibly the range is an open range so endpoints may not be included in the range. For example, the range is 1.5:1 to 1:1.5, possibly around 1:1, such as 1:1.2 to 1.2:1.
Было замечено, что вышеуказанное отношение HME:DOL далеко от отношения НМЕ:1,2диметоксиэтан, равного 80:20, описанного в вышеупомянутой заявке WO 2018/224374. Также в WO 2018/224374 указано, что предпочтительное отношение концентраций неполярного простого эфира и полярных апротонных органических растворителей составляет более 2:1, даже более предпочтительно более 3:1, в частности, находится в диапазоне от 3:1 до 9:1. Из WO 2018/224374 следует, что количество НМЕ должно быть, по существу, больше, даже в несколько раз больше, чем объем полярных апротонных органических растворителей. Напротив, это не является необходимым в настоящем изобретении, где в экспериментах использовали равные количества, а также возможно использование меньшего количества НМЕ, чем количество DOL.It has been observed that the above HME:DOL ratio is far from the 80:20 HME:1,2dimethoxyethane ratio described in the aforementioned WO 2018/224374. It is also stated in WO 2018/224374 that the preferred concentration ratio of non-polar ether and polar aprotic organic solvents is more than 2:1, even more preferably more than 3:1, in particular in the range from 3:1 to 9:1. From WO 2018/224374 it follows that the amount of HME should be substantially greater, even several times greater than the volume of polar aprotic organic solvents. On the contrary, this is not necessary in the present invention, where equal amounts were used in the experiments, and it is also possible to use a smaller amount of HME than the amount of DOL.
Преимущественно в изобретении также содержится литиевая соль, например LiN(CF3SO2)2 (литиевая соль бис(трифторметан)сульфонимида), которую также называют LiTFSI, преимущественно в молярной концентрации в диапазоне от 1 до 4М. В экспериментах использовали концентрацию 1,5М.Advantageously, the invention also contains a lithium salt, for example LiN(CF 3 SO 2 )2 (lithium salt of bis(trifluoromethane)sulfonimide), which is also referred to as LiTFSI, preferably in a molar concentration in the range of 1 to 4M. In the experiments, a concentration of 1.5 M was used.
Такой электролит является низкосольватирующим электролитом. Например, электролит предназначен для растворения только доли доступных полисульфидов во время заряда и разряда батареи, причем эта доля составляет менее 5% или даже менее 2%.Such an electrolyte is a low solvating electrolyte. For example, the electrolyte is designed to dissolve only a fraction of the available polysulfides during battery charging and discharging, and this proportion is less than 5% or even less than 2%.
Было экспериментально подтверждено, что с таким электролитом для электрохимической ячейки требуется менее 2 мл электролита на 1 г серы для достижения высокой удельной энергии, выраженной в Вт-ч/кг.It has been experimentally confirmed that with such an electrolyte, an electrochemical cell requires less than 2 ml of electrolyte per 1 g of sulfur to achieve a high specific energy expressed in Wh/kg.
В частности, было экспериментально подтверждено, что удельная энергия этой электрохимической ячейки превышает 400 Вт-ч/кг в течение по меньшей мере 5 циклов и превышает 350 Вт-ч/кг в течение по меньшей мере 20 циклов, когда ее заряжают и разряжают при скорости заряда 0,1С.In particular, it has been experimentally confirmed that the specific energy of this electrochemical cell exceeds 400 Wh/kg for at least 5 cycles and exceeds 350 Wh/kg for at least 20 cycles when it is charged and discharged at a rate of charge 0.1C.
Массовая плотность положительного серного электрода преимущественно составляет выше 0,55 г/см3, например выше 0,6 г/см3. Высокая массовая плотность означает, что поры имеют относительно малый размер. В некоторых воплощениях пористая углеродная матрица включает поры с определенным объемом пор, при этом по меньшей мере 50% объема пор определяется порами, имеющими средний диаметр менее 0,1 мкм. Небольшие поры являются преимущественными, так как объем электролита внутри катода сведен к минимуму. Кроме того, сводится к минимуму устойчивость материала катода к разрушению под давлением. Последнее обстоятельство является важным аспектом, если на электрохимическую ячейку оказывают давление, например, в стопке ячеек.The mass density of the positive sulfur electrode is preferably above 0.55 g/cm 3 , for example above 0.6 g/cm 3 . The high mass density means that the pores are relatively small. In some embodiments, the porous carbon matrix includes pores with a defined pore volume, wherein at least 50% of the pore volume is defined by pores having an average diameter of less than 0.1 microns. Small pores are advantageous since the electrolyte volume inside the cathode is minimized. In addition, the pressure fracture resistance of the cathode material is minimized. The latter circumstance is an important aspect if the electrochemical cell is subjected to pressure, for example, in a stack of cells.
При малых объемах пор возможна высокая массовая плотность катода. В экспериментах была достигнута массовая плотность катода более 0,6 г/см3.With small pore volumes, a high mass density of the cathode is possible. In experiments, the mass density of the cathode was more than 0.6 g/cm 3 .
Объем пор катода находится преимущественно в диапазоне от 0,25 до 0,45 мл/г, например в диапазоне от 0,3 до 0,4 мл/г. В некоторых воплощениях объем пор катода составляет 0,35 мл/г.The pore volume of the cathode is advantageously in the range of 0.25 to 0.45 ml/g, for example in the range of 0.3 to 0.4 ml/g. In some embodiments, the pore volume of the cathode is 0.35 ml/g.
Возможно батарея сконструирована и предназначена для приложения силы к электрохимической ячейке, возможно к стопке ячеек, в направлении, перпендикулярном активным поверхностям электродов во время заряда батареи, причем сила находится в диапазоне от 10 до 50 Н/см2. В экспериментах успешно прилагали силу, равную 37 Н/см2.Possibly the battery is designed and intended to apply force to the electrochemical cell, possibly to the stack of cells, in a direction perpendicular to the active surfaces of the electrodes during battery charging, the force being in the range of 10 to 50 N/cm 2 . In experiments, a force of 37 N/cm 2 was successfully applied.
В некоторых воплощениях токоприемник представляет собой перфорированный металлический лист с перфорациями, общая площадь которых составляет более 50%, более 70% или даже более 80% площади одной стороны металлического листа. В экспериментах использовали токоприемники с площадью перфорации, составляющей около 80% от площади листа.In some embodiments, the current collector is a perforated metal sheet with perforations, the total area of which is more than 50%, more than 70% or even more than 80% of the area of one side of the metal sheet. In the experiments, current collectors with a perforation area of about 80% of the sheet area were used.
Опционально положительный электрод глухо соединяют с токоприемником, при этом образуя листовой блок электрод/токоприемник.Optionally, the positive electrode is blindly connected to the current collector, thus forming an electrode/current collector sheet block.
Опционально из электрохимических ячеек конструируют батарею, содержащую множество таких электрохимических ячеек, расположенных в виде стопки, где две соседние ячейки совместно используют один токоприемник, так что токоприемник находится между указанным серным электродом и другим идентичным серным электродом соседней ячейки.Optionally, a battery is constructed from electrochemical cells, containing a plurality of such electrochemical cells arranged in a stack, where two adjacent cells share one current collector, so that the current collector is located between the specified sulfuric electrode and another identical sulfuric electrode of the neighboring cell.
Для получения эффективной перезаряжаемой батареи несколько вышеуказанных электрохимических ячеек укладывают в стопку, например, по 10, 20, 30 или 40 слоев из вышеуказанных многослойных комбинаций анода, сепаратора, токоприемника и катода.To obtain an efficient rechargeable battery, several of the above electrochemical cells are stacked, for example, 10, 20, 30 or 40 layers of the above multilayer combinations of anode, separator, current collector and cathode.
Экспериментально было обнаружено, что преимуществом является приложение давления на стопкуIt has been experimentally found that it is an advantage to apply pressure on the stack
- 2 040496 в направлении, перпендикулярном стопке, например, в диапазоне от 10 до 50 Н/см2, возможно в диапазоне от 20 до 50 Н/см2. В экспериментах успешно прилагали силу, равную 37 Н/см2.- 2 040496 in a direction perpendicular to the stack, for example in the range from 10 to 50 N/cm 2 , possibly in the range from 20 to 50 N/cm 2 . In experiments, a force of 37 N/cm 2 was successfully applied.
Обычно стопки предоставляют в виде пакетов ячеек (pouch cells).Typically, stacks are provided as pouch cells.
Подходящим материалом для сепаратора является полиэтиленовая (ПЭ) или полипропиленовая (ПП) пленка, которая имеет сквозную перфорацию для прохождения электролита через перфорационные отверстия. Такие пленки производит компания Celgard®, см. www.Celgard.com.A suitable material for the separator is polyethylene (PE) or polypropylene (PP) film, which has through perforations to allow electrolyte to pass through the perforations. These films are manufactured by Celgard®, see www.Celgard.com.
В некоторых практических воплощениях стопок сепаратор включает покрытие из пористой серосодержащей пористой углеродной матрицы для обеспечения комбинации катода и сепаратора, при этом каждые две из таких комбинаций содержат между собой один токоприемник так, что катодные стороны этих двух комбинаций обращены к токоприемнику и прикреплены к нему. Опционально комбинации также прикрепляют друг к другу через перфорацию токоприемника.In some practical embodiments of stacks, the separator includes a coating of a porous sulfur-containing porous carbon matrix to provide a combination of cathode and separator, with each two of such combinations containing one current collector between them so that the cathode sides of these two combinations face the current collector and are attached to it. Optionally, the combinations are also attached to each other through the perforation of the current collector.
В альтернативных воплощениях углерод катода и серосодержащий материал являются электропроводящими, например, за счет наличия интегрированных электропроводящих наночастиц в катодном материале. Одна из возможностей состоит в получении катода горячим прессованием углеродных нанотрубок (CNT) и частиц серы с образованием композита, опционально содержащего сажу. В этом случае катод проводит ток к электрическому соединителю, находящемуся на краю серного катода, и, таким образом, можно не использовать металлический токоприемник. Например, средний диаметр CNT находится в диапазоне от 5 до 10 нм.In alternative embodiments, the cathode carbon and the sulfur-containing material are electrically conductive, for example, due to the presence of integrated electrically conductive nanoparticles in the cathode material. One possibility is to produce a cathode by hot pressing carbon nanotubes (CNT) and sulfur particles to form a composite, optionally containing carbon black. In this case, the cathode conducts current to the electrical connector located on the edge of the sulfur cathode, and thus the metal current collector can be omitted. For example, the average CNT diameter is in the range of 5 to 10 nm.
В частности, как известно, отсутствуют требования к использованию нитрата лития LiNO3 в качестве добавки для электрохимической ячейки, несмотря на ее высокие характеристики при его использовании.In particular, as is known, there are no requirements for the use of lithium nitrate LiNO 3 as an additive for an electrochemical cell, despite its high performance in its use.
Электролит обычно является жидким. В качестве альтернативы он может быть предоставлен в виде геля или твердого вещества.The electrolyte is usually liquid. Alternatively, it may be provided as a gel or solid.
Аспекты.Aspects of.
Далее некоторые аспекты по изобретению будут объяснены во взаимосвязи.In the following, some aspects of the invention will be explained in conjunction.
Аспект 1. Батарея, содержащая электрохимическую ячейку, содержащую отрицательный литиевый электрод; положительный серный электрод, причем серный электрод содержит электропроводящую пористую углеродную матрицу, в порах которой содержится сера; токоприемник, примыкающий к серному электроду; сепаратор, расположенный между литиевым электродом и серным электродом; электролит, расположенный между этими электродами для переноса ионов Li между электродами. Например, электролит является низкосольватирующим. Опционально он предназначен для растворения только доли доступных полисульфидов во время заряда и разряда батареи, причем эта доля составляет менее 5%.Aspect 1. A battery containing an electrochemical cell containing a negative lithium electrode; a positive sulfur electrode, the sulfur electrode comprising an electrically conductive porous carbon matrix, the pores of which contain sulfur; a current collector adjacent to the sulfuric electrode; a separator located between the lithium electrode and the sulfur electrode; an electrolyte located between these electrodes to transfer Li ions between the electrodes. For example, the electrolyte is low solvating. Optionally, it is designed to dissolve only a fraction of the available polysulfides during battery charging and discharging, with this proportion being less than 5%.
Аспект 2. Батарея в соответствии с аспектом 1, в которой электролит между электродами представлен в количестве менее 2 мкл на 1 мг серы.Aspect 2 The battery according to aspect 1 wherein the electrolyte between the electrodes is present in an amount of less than 2 μl per 1 mg of sulfur.
Аспект 3. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой электролит содержит неполярный, ациклический нефторированный простой эфир и полярный простой эфир, а также соль Li.Aspect 3 A battery according to any of the preceding aspects wherein the electrolyte comprises a non-polar, acyclic non-fluorinated ether and a polar ether and a Li salt.
Аспект 4. Батарея в соответствии с аспектом 3, в которой электролит содержит неполярный, ациклический нефторированный простой эфир и полярный простой эфир в отношении от 2:1 до 1:2, а также соль Li с молярной концентрацией от 1 до 4М.Aspect 4 The battery according to aspect 3, wherein the electrolyte contains a non-polar, acyclic, non-fluorinated ether and a polar ether in a ratio of 2:1 to 1:2, and a Li salt with a molar concentration of 1 to 4M.
Аспект 5. Батарея в соответствии с аспектом 3 или 4, в которой полярный простой эфир представляет собой 1,3-диоксолан (DOL), а неполярный простой эфир представляет собой гексилметиловый эфир (НМЕ).Aspect 5 The battery according to aspect 3 or 4 wherein the polar ether is 1,3-dioxolane (DOL) and the non-polar ether is hexyl methyl ether (HME).
Аспект 6. Батарея в соответствии с аспектом 5, в которой соль Li представляет собой литиевую соль бис(трифторметан)сульфонимида (LiTFSI).Aspect 6 The battery according to aspect 5 wherein the Li salt is the lithium salt of bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSI).
Аспект 7. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой удельная энергия электрохимической ячейки составляет выше 400 Вт-ч/кг в течение по меньшей мере 5 циклов и выше 350 Вт-ч/кг в течение по меньшей мере 20 циклов при заряде и разряде со скоростью заряда 0,1С.Aspect 7. A battery according to any of the preceding aspects wherein the specific energy of the electrochemical cell is above 400 Wh/kg for at least 5 cycles and above 350 Wh/kg for at least 20 cycles when charged and discharge with a charge rate of 0.1C.
Аспект 8. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой массовая плотность положительного электрода превышает 0,5 г/см3.Aspect 8. A battery according to any of the preceding aspects, wherein the mass density of the positive electrode is greater than 0.5 g/cm 3 .
Аспект 9. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой пористая углеродная матрица содержит поры, при этом по меньшей мере 50% объема пор определяется порами, имеющими средний диаметр менее 0,1 мкм.Aspect 9 A battery according to any of the preceding aspects, wherein the porous carbon matrix contains pores, wherein at least 50% of the pore volume is defined by pores having an average diameter of less than 0.1 microns.
Аспект 10. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, сконструированная и выполненная с возможностью приложения силы к электрохимической ячейке в направлении, перпендикулярном активным поверхностям электродов во время заряда батареи, при этом сила находится в диапазоне от 10 до 50 Н/см2.Aspect 10. A battery according to any of the preceding aspects, designed and configured to apply a force to the electrochemical cell in a direction perpendicular to the active electrode surfaces during battery charging, the force being in the range of 10 to 50 N/cm 2 .
Аспект 11. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой токоприемник представляет собой перфорированный металлический лист с перфорациями, общая площадь которых составляет более 50% площади одной стороны металлического листа; при этом положительный электрод глухо соединен с токоприемником, образуя листовой блок электрод/токоприемник.Aspect 11. A battery according to any of the preceding aspects, wherein the current collector is a perforated metal sheet with perforations whose total area is more than 50% of the area of one side of the metal sheet; in this case, the positive electrode is blindly connected to the current collector, forming an electrode/current collector sheet block.
- 3 040496- 3 040496
Аспект 12. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, содержащая множество электрохимических ячеек, расположенных в виде стопки, где две соседних ячейки совместно используют упомянутый токоприемник, так что упомянутый токоприемник находится между упомянутым серным электродом и еще одним идентичным серным электродом соседней ячейки.Aspect 12. A battery according to any of the preceding aspects, comprising a plurality of electrochemical cells arranged in a stack where two adjacent cells share said current collector such that said current collector is between said sulfur electrode and another identical sulfur electrode of an adjacent cell.
Аспект 13. Батарея в соответствии с аспектом 12, в которой сепаратор включает покрытие из пористой серосодержащей пористой углеродной матрицы для обеспечения комбинации катода и сепаратора, при этом каждые две из таких комбинаций содержат между собой один токоприемник так, что катодные стороны этих двух комбинаций обращены к токоприемнику и прикреплены к нему, и при этом комбинации прикреплены друг к другу через перфорацию токоприемника.Aspect 13 The battery of aspect 12 wherein the separator includes a coating of porous sulfur-containing porous carbon matrix to provide a cathode and separator combination, each two of such combinations containing one current collector between them such that the cathode sides of the two combinations face towards current collector and attached to it, and the combinations are attached to each other through the perforation of the current collector.
Аспект 14. Батарея в соответствии с любым из предшествующих аспектов, в которой стопка находится под давлением силы в диапазоне от 20 до 50 Н/см2.Aspect 14 A battery according to any of the preceding aspects, wherein the stack is under pressure with a force in the range of 20 to 50 N/cm 2 .
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на чертежи, где на фиг. 1 показана принципиальная схема электрохимической ячейки;The invention will be explained in more detail with reference to the drawings, where in FIG. 1 shows a schematic diagram of an electrochemical cell;
на фиг. 2 - схема электрохимических ячеек в стопках, используемых для экспериментов;in fig. 2 is a diagram of electrochemical cells in stacks used for experiments;
на фиг. 3 - токоприемник, который перфорирован для образования сетки;in fig. 3 - pantograph, which is perforated to form a grid;
на фиг. 4 - экспериментальные значения удельной энергии при отношении электролита к сере, составляющем от 2 до 2,5 мл электролита на 1 г серы;in fig. 4 - experimental values of specific energy at a ratio of electrolyte to sulfur, ranging from 2 to 2.5 ml of electrolyte per 1 g of sulfur;
на фиг. 5 - экспериментальные значения удельной энергии при 1,6 мл/г.in fig. 5 - experimental values of specific energy at 1.6 ml/g.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Электрохимическая ячейка содержит отрицательный литиевый электрод; положительный серный электрод, причем серный электрод содержит электропроводящую пористую углеродную матрицу, в порах которой содержится сера; токоприемник, примыкающий к серному электроду; сепаратор, расположенный между литиевым электродом и серным электродом; электролит, расположенный между сепаратором и каждым из электродов для переноса ионов Li между электродами.The electrochemical cell contains a negative lithium electrode; a positive sulfur electrode, the sulfur electrode comprising an electrically conductive porous carbon matrix, the pores of which contain sulfur; a current collector adjacent to the sulfuric electrode; a separator located between the lithium electrode and the sulfur electrode; an electrolyte located between the separator and each of the electrodes for transferring Li ions between the electrodes.
Компоненты, которые использовали в экспериментах, более подробно будут описаны ниже, при этом количество электролита между электродами составляет менее 2 мкл на 1 мг серы.The components that were used in the experiments will be described in more detail below, while the amount of electrolyte between the electrodes is less than 2 μl per 1 mg of sulfur.
Электрохимическая ячейка для батареи свободна от нитрата лития LiNO3.The electrochemical battery cell is free of lithium nitrate LiNO 3 .
В экспериментах использовали анод, сделанный из металлической фольги лития (Li) толщиной 50 мкм. Размер конкретной ячейки составлял 71 мм х 46 мм.An anode made of lithium (Li) metal foil 50 µm thick was used in the experiments. The specific cell size was 71 mm x 46 mm.
Медную фольгу толщиной 10 мкм и размером 7х20 мм использовали в качестве контакта для электрического соединения с литиевым анодом. Для крепления медь прижимали к Li фольге. Однако в качестве альтернативы электрический контакт может быть осуществлен непосредственно с металлической поверхностью Li, например, с помощью никелевого контакта, приваренного или иным образом прикрепленного к Li фольге.Copper foil 10 µm thick and 7x20 mm in size was used as a contact for electrical connection to the lithium anode. For fastening, copper was pressed against Li foil. However, as an alternative, electrical contact may be made directly to the Li metal surface, for example, with a nickel contact welded or otherwise attached to the Li foil.
Серный катод, сепаратор и токоприемник были выполнены в виде слоистой структуры, которая показана на фиг. 1 в виде принципиальной схемы. Токоприемник образует центральный слой многослойной структуры в стопке электрохимических ячеек.The sulfur cathode, separator and current collector were made in the form of a layered structure, which is shown in Fig. 1 in schematic form. The current collector forms the central layer of a multilayer structure in a stack of electrochemical cells.
Катодный серный материал поддерживает сепараторная пленка. Двойной слой катод/сепаратор предусмотрен на противоположных сторонах токоприемника, и он находится между слоями литиевого анода.The cathode sulfur material is supported by a separator film. A double cathode/separator layer is provided on opposite sides of the current collector and is located between the lithium anode layers.
В экспериментах для лучшего разделения использовали конструкцию двойного сепаратора, как показано на фиг. 2.In experiments, a double separator design was used for better separation, as shown in FIG. 2.
Токоприемник представлял собой толстую перфорированную алюминиевую фольгу толщиной 12 мкм. Масса фольги была уменьшена за счет использования токоприемника в виде сетки, см. фиг. 3, со сквозными отверстиями, распределенными по всей алюминиевой фольге. Отверстия составляли около 80% площади токоприемника, и только 20% площади составлял алюминиевый материал.The current collector was a thick perforated aluminum foil 12 µm thick. The weight of the foil has been reduced by using a mesh pantograph, see FIG. 3, with through holes distributed throughout the aluminum foil. The holes made up about 80% of the pantograph area, and only 20% of the area was aluminum material.
Токоприемник содержал углеродное грунтовочное покрытие, толщина которого составляла порядка микрометра.The current collector contained a carbon primer coating, the thickness of which was on the order of a micrometer.
Была обеспечена пористая полиэтиленовая сепараторная пленка толщиной 5 мкм. Размер пор находился в диапазоне 20-200 нм.A porous polyethylene separator film with a thickness of 5 µm was provided. The pore size was in the range of 20–200 nm.
Серный электрод содержит электропроводящую пористую углеродную матрицу, в порах которой содержится сера. Пористые частицы сажи (Printex™) были пропитаны серой в отношении по массе 1:2. Пропитывание осуществляли путем получения смеси частиц сажи и частиц серы микрометрового размера и нагревания композита до 155°С в течение 30 мин в сухих условиях с последующим охлаждением. В результате этого сера равномерно распределялась внутри пор. Затем композит измельчали до образования частиц композита углерод/сера, имеющих размер в диапазоне нескольких микрометров.The sulfur electrode contains an electrically conductive porous carbon matrix, the pores of which contain sulfur. Porous carbon black particles (Printex™) were impregnated with sulfur in a ratio by weight of 1:2. Impregnation was carried out by obtaining a mixture of carbon black particles and micrometer-sized sulfur particles and heating the composite to 155° C. for 30 min under dry conditions, followed by cooling. As a result, sulfur was evenly distributed inside the pores. The composite was then ground to form carbon/sulfur composite particles having a size in the range of several micrometers.
Полученные частицы суспендировали в воде и добавляли связующее. Связующее состояло из равных массовых количеств карбоксиметилцеллюлозы (CMC) и стирол-бутадиенового каучука (SBR). Помимо воды водная суспензия содержала 60% серы, 30% сажи, в которую были введены 60% серы, и 10% связующего CMC/SBR. Относительные количества выражены по массе.The obtained particles were suspended in water and a binder was added. The binder consisted of equal mass amounts of carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene-butadiene rubber (SBR). In addition to water, the aqueous slurry contained 60% sulfur, 30% carbon black to which 60% sulfur was added, and 10% CMC/SBR binder. Relative amounts are expressed by weight.
--
Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/793,474 | 2019-01-17 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA040496B1 true EA040496B1 (en) | 2022-06-10 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4519796B2 (en) | Square lithium secondary battery | |
US20120231321A1 (en) | Integral bi-layer separator-electrode construction for lithium-ion batteries | |
Zhang et al. | High sulfur loading lithium–sulfur batteries based on a upper current collector electrode with lithium-ion conductive polymers | |
US20170194644A1 (en) | Dual-layer sturctured cathode and electrochemical cell | |
CN111326710B (en) | Sandwich structure electrode | |
JP4088755B2 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP2023533761A (en) | Lithium-sulfur battery with high energy density | |
JP2022550822A (en) | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same | |
US11961970B2 (en) | LiS battery with low solvating electrolyte | |
JP4839117B2 (en) | Cylindrical lithium secondary battery | |
JP2022553728A (en) | Electrolyte for lithium secondary battery and lithium secondary battery containing the same | |
JPH11149916A (en) | Organic electrolytic battery | |
JP2004158441A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
US20230360863A1 (en) | Advanced lithium-ion energy storage device | |
EA040496B1 (en) | LITHIUM SULFUR (LIS) BATTERY WITH LOW SOLVATIVE ELECTROLYTE | |
DK180501B1 (en) | LiS battery with electrolyte with low solvation | |
CN113330619B (en) | Lithium sulfur battery with weak solvated electrolyte | |
JP7010627B2 (en) | Electrode, lithium ion secondary battery | |
JP4235285B2 (en) | Organic electrolyte battery | |
US20240178438A1 (en) | Lithium-sulfur battery | |
JP4291901B2 (en) | Organic electrolyte battery | |
EP4386919A1 (en) | Lithium-sulfur battery having high energy density | |
JPWO2020148285A5 (en) | ||
WO2024128922A1 (en) | An energy storage device for providing a power to energy ratio of at least 25 | |
JP2024509235A (en) | Lithium-sulfur batteries with improved energy density and power output |