ES2938478T3 - Electrolito para batería secundaria de litio y batería secundaria de litio que incluye el mismo - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a: un electrolito para una batería secundaria de litio, comprendiendo el electrolito una sal de litio, un solvente orgánico y un aditivo que incluye un compuesto representado por la fórmula química 1; y una batería secundaria de litio que la incluye. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Electrolito para batería secundaria de litio y batería secundaria de litio que incluye el mismo
Campo técnico
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente coreana n.° 10-2019-0039269, presentada el 3 de abril de 2019.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un electrolito para una batería secundaria de litio que puede mejorar las características de vida útil y las características de resistencia de la batería incluyendo boro y azufre en una película formada sobre un electrodo, y a una batería secundaria de litio que incluye el mismo.
Antecedentes de la técnica
Existe una necesidad de desarrollar una tecnología para un almacenamiento y uso eficientes de energía eléctrica a medida que los dispositivos de IT personales y las redes informáticas se desarrollan, con el desarrollo de la sociedad de la información y a medida que aumenta la dependencia asociada de la sociedad en su conjunto con respecto a la energía eléctrica.
Una tecnología basada en baterías secundarias es la tecnología más adecuada para diversas aplicaciones, en las que, dado que una batería secundaria puede miniaturizarse, es aplicable a un dispositivo de IT personal, y también es aplicable a un dispositivo grande tal como un dispositivo de almacenamiento de potencia.
Entre estas tecnologías de batería secundaria, las baterías secundarias de litio, que son sistemas de batería que tienen teóricamente la densidad de energía más alta por peso y volumen, se encuentra en el foco de atención. La batería secundaria de litio está generalmente compuesta por un electrodo positivo formado por un óxido de metal de transición que contiene litio, un electrodo negativo capaz de almacenar litio, un electrolito que se convierte en un medio para transferir iones de litio, y un separador, y, entre ellos, se ha llevado a cabo una cantidad significativa de investigación sobre el electrolito mientras que se sabe que el electrolito es un componente que afecta en gran medida a la estabilidad y seguridad de la batería.
En general, es deseable usar como electrolito una mezcla de un disolvente orgánico y una sal de litio que tenga una alta estabilidad térmica y química, así como que mantenga la estabilidad electroquímica en un intervalo de tensión de funcionamiento. Sin embargo, dado que la tensión de reducción del disolvente orgánico es normalmente superior a la tensión de funcionamiento del electrodo negativo tal como grafito/silicio, puede producirse una reacción de descomposición de reducción y puede producirse una reacción de descomposición de oxidación sobre una superficie del electrodo positivo. Por tanto, el control de estas reacciones de descomposición es un factor importante en la mejora del rendimiento de batería.
Se generan productos de descomposición orgánicos/inorgánicos sobre superficies de los electrodos positivo/negativo mediante estas reacciones de descomposición formando películas, en los que la película se denomina interfase sólido-electrolito (SEI) cuando se forma sobre la superficie del electrodo negativo, y la película se denomina película de pasivación cuando se forma sobre el electrodo positivo.
La película formada sobre la superficie del electrodo puede mover iones de litio al tiempo que suprime una reacción de descomposición adicional del electrolito. Recientemente, hay una tendencia a añadir diversos aditivos al electrolito para formar una película mejor que en un caso en el que sólo se usan la sal de litio y el disolvente orgánico como electrolito.
Particularmente, dado que las características de vida útil y las características de resistencia de la batería dependen en gran medida de las características de la película formada sobre la superficie del electrodo, hay una necesidad urgente de investigar un electrolito para formar una película más robusta que tenga mejores propiedades eléctricas durante una reacción de carga.
(Documento de la técnica anterior) Publicación abierta a consulta por el público de solicitud de patente coreana n.° 10-2017-0134258
El documento EP0903798 A1 divulga electrolitos para baterías de litio que comprenden BF3OEt2.
El documento WO 2013/011158 A2 divulga BF3SMe2 y BF3OEt2 usados como ácidos de Lewis para la síntesis de un
compuesto orgánico.
Divulgación de la invención
Problema técnico
Un aspecto de la presente invención proporciona un electrolito para una batería secundaria de litio que puede mejorar las características de vida útil y las características de resistencia de la batería incluyendo boro y azufre en una película formada sobre un electrodo durante un procedimiento de carga y descarga de la batería, y una batería secundaria de litio que incluye el mismo.
Solución técnica
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un electrolito para una batería secundaria de litio que incluye: una sal de litio, un disolvente orgánico y un aditivo, en el que el aditivo incluye un compuesto representado por la fórmula 1.
[Fórmula 1]
En la fórmula 1, Ri y R2 son cada uno independientemente un grupo alquilo que tiene de 1 a 3 átomos de carbono. Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona una batería secundaria de litio que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y el electrolito para una batería secundaria de litio.
Puede formarse una película que contiene boro y azufre sobre una superficie de al menos un electrodo seleccionado del grupo que consiste en el electrodo positivo y el electrodo negativo.
Efectos ventajosos
Si se usa un electrolito para una batería secundaria de litio según la presente invención, puede formarse una película que contiene boro (B) y azufre (S) sobre una superficie de un electrodo mediante una reacción de descomposición del electrolito que se produce durante la carga y descarga de la batería. La película que contiene boro y azufre puede proporcionar una batería secundaria de litio excelente que tiene características de vida útil y características de resistencia mejoradas suprimiendo eficazmente una reacción de descomposición adicional del electrolito.
Breve descripción de los dibujos
Los siguientes dibujos adjuntos a la memoria descriptiva ilustran ejemplos preferidos de la presente invención a modo de ejemplo, y sirven para permitir entender adicionalmente conceptos técnicos de la presente invención junto con la descripción detallada de la invención facilitada a continuación, y por tanto la presente invención no debe interpretarse únicamente con respecto a tales dibujos.
La figura 1 es un gráfico que ilustra resistencias iniciales medidas según el ejemplo experimental 1;
la figura 2 es un gráfico que ilustra capacidades iniciales medidas según el ejemplo experimental 2; y
la figura 3 es un gráfico que ilustra retenciones de capacidad según el número de ciclos que se miden según el ejemplo experimental 3.
Modo para llevar a cabo la invención
A continuación en el presente documento se describirá la presente invención con más detalle.
Se entenderá que las palabras o términos usados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones no deben
interpretarse con el significado definido en diccionarios habitualmente usados, y se entenderá además que debe interpretarse que las palabras o términos tienen un significado que es compatible con su significado en el contexto de la técnica relevante y la idea técnica de la invención, basándose en el principio de que un inventor puede definir de manera apropiada el significado de las palabras o términos para explicar mejor la invención.
La terminología usada en el presente documento es únicamente con el propósito de describir ejemplos de realización particulares y no se pretende que limite la presente invención. En la memoria descriptiva, los términos en forma singular pueden comprender formas en plural a menos que se mencione lo contrario.
Se entenderá además que los términos “incluir”, “comprender” o “tener”, cuando se usan en esta memoria descriptiva, especifican la presencia de las características, números, etapas, elementos o combinaciones de los mismos mencionados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, números, etapas, elementos o combinaciones de los mismos.
<Electrolito para batería secundaria de litio>
Un electrolito para una batería secundaria de litio según la presente invención incluye una sal de litio, un disolvente orgánico y un aditivo, en el que el aditivo incluye un compuesto representado por la siguiente fórmula 1.
[Fórmula 1]
En la fórmula 1, R1 y R2 son cada uno independientemente un grupo alquilo que tiene de 1 a 3 átomos de carbono.
(1) Sal de litio
La sal de litio se usa para mejorar el rendimiento de iones de litio (número de transferencias de Li+) y el grado de disociación de iones de litio suministrando de manera suficiente iones de litio.
Específicamente, un compuesto capaz de proporcionar iones de litio y usado en una batería secundaria de litio puede usarse como sal de litio sin limitación particular. Específicamente, la sal de litio puede incluir Li+ como catión, y puede usarse uno seleccionado del grupo que consiste en F-, Cl-, Br-, I-, NO3-, N(c N)2-, BF4-, ClO4-, AlO4-, AlCl4-,
PF6-, SbF6-, AsF6-, BF2C2O4-, BC4O8-, (CF3)2PF4-, (CF3)3PF3-, (CF3)4PF2-, (CF3)5PF-, (CF3 CF3CF2SO3-, (CF3SO2)2 N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, CF3(CF2)7SO3-, CF3CO2-, CH3CO2-, SCN- y (CF3CF2SO2)2N- o, si es necesario, una mezcla de dos o más de los mismos, como anión.
La sal de litio puede cambiarse de manera apropiada en un intervalo normalmente utilizable, pero puede incluirse en una concentración de 0,8 M a 3,0 M, por ejemplo, de 1,0 M a 3,0 M en una disolución de electrolito para obtener un efecto óptimo de formación de una película para prevenir la corrosión de una superficie de un electrodo.
Si la concentración de la sal de litio es menor de 0,8 M, dado que se reduce la movilidad de iones de litio, pueden degradarse las características de capacidad. Si la concentración de la sal de litio es mayor de 3,0 M, dado que se aumenta excesivamente la viscosidad de una disolución de electrolito no acuosa, puede reducirse la impregnabilidad del electrolito y puede reducirse el efecto de formación de película.
(2) Disolvente orgánico
Diversos disolventes orgánicos normalmente usados en un electrolito para una batería secundaria de litio pueden usarse como disolvente orgánico sin limitación. Por ejemplo, el disolvente orgánico puede incluir un disolvente orgánico basado en carbonato cíclico, un disolvente orgánico basado en carbonato lineal o un disolvente orgánico mixto de los mismos.
Ejemplos específicos del disolvente orgánico basado en carbonato cíclico pueden ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de 1,2-butileno, carbonato de 2,3-butileno, carbonato de 1,2-pentileno, carbonato de 2,3-pentileno, carbonato de vinileno, carbonato de difluoroetileno (DFEC) y carbonato de fluoroetileno (FEC), o una mezcla de dos o más de los mismos.
Además, ejemplos específicos del disolvente orgánico basado en carbonato lineal pueden ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo, carbonato de etilo y metilo (EMC), carbonato de metilpropilo y carbonato de etilpropilo, o una mezcla de dos o más de los mismos.
Además, puede mezclarse adicionalmente y usarse como disolvente orgánico un disolvente orgánico de éter, un disolvente orgánico de éster o un disolvente orgánico de amida, si es necesario.
Además, el disolvente orgánico de éter puede incluir uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en dimetil éter, dietil éter, dipropil éter, metil etil éter, metil propil éter y etil propil éter, o una mezcla de dos o más de los mismos, pero la presente invención no se limita a lo mismo.
El disolvente orgánico de éster puede incluir uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en un éster lineal tal como acetato de metilo, acetato de etilo, acetato de propilo, propionato de metilo, propionato de etilo, propionato de propilo y propionato de butilo; y un éster cíclico tal como y-butirolactona, y-valerolactona, y-caprolactona, ct-valerolactona y s-caprolactona, o una mezcla de dos o más de los mismos, pero la presente invención no se limita a lo mismo.
(3) Aditivo
El electrolito para una batería secundaria de litio según la presente invención puede incluir un compuesto representado por la siguiente fórmula 1 como aditivo.
[Fórmula 1]
En la fórmula 1, Ri y R2 son cada uno independientemente un grupo alquilo que tiene de 1 a 3 átomos de carbono. Se produce una reacción de descomposición del electrolito sobre una superficie de un electrodo durante un procedimiento de carga y descarga de la batería, en el que, dado que un producto de descomposición de reducción del electrolito forma una película sobre la superficie del electrodo para suprimir el movimiento de electrones requerido para una reacción entre el electrodo y el electrolito, se suprime una reacción de descomposición adicional del electrolito. En general, la película formada sobre un electrodo negativo se define como interfase sólido-electrolito (SEI), y la película formada sobre un electrodo positivo se define como película de pasivación. En este caso, el tipo del producto de reacción de descomposición del electrolito varía dependiendo del tipo del aditivo añadido al electrolito, y por consiguiente los componentes de la película formada también pueden variar.
El compuesto representado por la fórmula 1, que se incluye como aditivo de electrolito, puede formar una película que contiene boro y azufre sobre el electrodo mediante la reacción de descomposición del electrolito durante la carga y descarga de la batería. Por tanto, si la película que contiene boro y azufre se forma sobre el electrodo, dado que se mejora la capacidad de pasivación en comparación con una película formada cuando se usa un electrolito compuesto únicamente por el disolvente orgánico y la sal de litio, pueden mejorarse las características de vida útil y las características de resistencia de la batería.
Además, aunque el compuesto representado por la fórmula 1 y/o componentes (por ejemplo, componente de disolvente orgánico) incluidos en el electrolito se descomponen juntos, los productos de descomposición pueden combinarse entre sí para formar un polímero, y el polímero puede incluirse en la película. Como resultado, puede formarse una película más estable y robusta.
El grupo alquilo (R1 y/o R2) sustituido en un átomo de azufre (S) del compuesto de la fórmula 1 es un factor que afecta al tamaño del polímero incluido en la película, en el que las características de resistencia pueden mejorarse adicionalmente cuando el grupo alquilo tiene de 1 a 3 átomos de carbono.
Como ejemplo específico, en la fórmula 1, R1 y R2 pueden seleccionarse cada uno independientemente del grupo que consiste en-CH3, -C2H5, -C3H7 y -CH(CH3)2.
Como ejemplo más específico, el compuesto representado por la fórmula 1 puede seleccionarse del grupo que consiste en compuestos representados por las fórmulas 1A a 1J a continuación.
[Fórmula 1A]
[Fórmula 1E]
[Fórmula 1F]
[Fórmula 1J]
El compuesto representado por la fórmula 1 puede estar incluido en una cantidad de 0,1 partes en peso a 2 partes en peso, preferiblemente de 0,3 partes en peso a 2 partes en peso y más preferiblemente de 0,3 partes en peso a 1 parte en peso basándose en 100 partes en peso del electrolito para una batería secundaria de litio. En un caso en el que el compuesto representado por la fórmula 1 está incluido en una cantidad mayor que el intervalo anterior, puede provocarse una reacción secundaria con otros compuestos incluidos en el electrolito mediante un residuo que no participa en una reacción de formación de película. Además, en un caso en el que el compuesto representado por la fórmula 1 está incluido en una cantidad menor que el intervalo anterior, dado que no se incluyen suficientemente boro y azufre sobre la superficie del electrodo, pueden no mejorarse significativamente las características de vida útil y las características de resistencia de la batería.
(4) Aditivos adicionales
El electrolito para una batería secundaria de litio de la presente invención puede incluir además compuestos que pueden formar una película estable sobre las superficies del electrodo negativo y electrodo positivo al tiempo que no aumentan significativamente la resistencia inicial, o que pueden actuar como agente complementario para suprimir la descomposición del disolvente en la disolución de electrolito no acuosa y mejorar la movilidad de iones de litio, como aditivos adicionales.
Los aditivos adicionales pueden incluir, además, por ejemplo, al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en un compuesto basado en vinil-silano, un compuesto basado en fosfato o fosfito, un compuesto basado en sulfito, un compuesto basado en sulfona, un compuesto basado en sulfato, un compuesto basado en sultona, un compuesto basado en carbonato sustituido con halógeno, un compuesto basado en nitrilo, un compuesto basado en borato, y un compuesto basado en sal de litio.
El compuesto basado en vinil-silano puede mejorar la durabilidad de la batería formando una película estable mediante reducción electroquímica en la superficie del electrodo negativo. Específicamente, puede incluirse tetravinilsilano como compuesto basado en vinil-silano.
El compuesto basado en fosfato o fosfito es un componente para ayudar en la formación de la película al descomponerse electroquímicamente sobre las superficies del electrodo positivo y el electrodo negativo, en el que puede mejorar las características de vida útil de la batería secundaria. Específicamente, el compuesto basado en fosfato o fosfito puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en difluoro(bisoxalato)fosfato de litio, difluorofosfato de litio, tetrametil-trimetilsilil-fosfato (TMSPa), trimetilsilil-fosfito (TMSPi), tris(2,2,2-trifluoroetil)-fosfato (TFEPa) y tris(trifluoroetil)-fosfito (TFEPi).
El compuesto basado en sulfito puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en sulfito de etileno, sulfito de metiletileno, sulfito de etiletileno, sulfito de 4,5-dimetiletileno, sulfito de 4,5-dietiletileno, sulfito de propileno, sulfito de 4,5-dimetilpropileno, sulfito de 4,5-dietilpropileno, sulfito de 4,6-dimetilpropileno, sulfito de 4,6-dietilpropileno y sulfito de 1,3-butilenglicol.
El compuesto basado en sulfona puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en divinil-sulfona, dimetil-sulfona, dietil-sulfona, metiletil-sulfona y metilvinil-sulfona.
El compuesto basado en sulfato puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en sulfato de etileno (Esa), sulfato de trimetileno (TMS) y sulfato de metil-trimetileno (MTMS).
El compuesto basado en sultona puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en 1,3-propano-sultona (PS), 1,4-butano-sultona, etano-sultona, 1,3-propeno-sultona (PRS), 1,4-buteno-sultona y 1-metil-1,3-propeno-sultona.
Como compuesto basado en carbonato sustituido con halógeno, puede incluirse carbonato de fluoroetileno (FEC). Además, el compuesto basado en nitrilo puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en succinonitrilo (SN), adiponitrilo (Adn), acetonitrilo, propionitrilo, butironitrilo, valeronitrilo, caprilonitrilo, heptanonitrilo, ciclopentano-carbonitrilo, ciclohexano-carbonitrilo, 2-fluorobenzonitrilo, 4-fluorobenzonitrilo, difluorobenzonitrilo, trifluorobenzonitrilo, fenilacetonitrilo, 2-fluorofenilacetonitrilo y 4-fluorofenilacetonitrilo.
El compuesto basado en borato puede incluir oxalildifluoroborato de litio.
El compuesto basado en sal de litio es un compuesto diferente de la sal de litio incluida en la disolución de electrolito no acuosa, en el que el compuesto basado en sal de litio puede incluir al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en LiPO2F2 , LiODFB, LiBOB (bis(oxalato)borato de litio (LiB(C2O4)2)) y LiBF4.
Los aditivos adicionales pueden incluirse en una cantidad de 20 partes en peso o menos, por ejemplo, 10 partes en peso o menos basándose en 100 partes en peso del electrolito para una batería secundaria de litio. Si la cantidad de los aditivos es mayor que el intervalo anterior, puede producirse de manera excesiva una reacción secundaria en el electrolito durante la carga y descarga, y, dado que los aditivos no se descomponen suficientemente a altas temperaturas, los aditivos pueden estar presentes en forma de un material sin reaccionar o precipitados en la disolución de electrolito no acuosa, y, por consiguiente, pueden degradarse las características de vida útil o de resistencia de la batería secundaria.
<Batería secundaria de litio>
A continuación se describirá una batería secundaria de litio según la presente invención.
La batería secundaria de litio según una realización de la presente invención incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y el electrolito para una batería secundaria de litio, e incluye selectivamente un separador que puede estar dispuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. En este caso, dado que el electrolito para
una batería secundaria de litio es el mismo que el descrito anteriormente, se omitirá una descripción detallada del mismo.
(1) Electrodo positivo
El electrodo positivo puede prepararse recubriendo un colector de electrodo positivo con una suspensión de material activo de electrodo positivo que incluye un material activo de electrodo positivo, un aglutinante para un electrodo, un agente conductor para un electrodo y un disolvente.
El colector de electrodo positivo no está particularmente limitado siempre que tenga conductividad sin provocar cambios químicos adversos en la batería, y, por ejemplo, puede usarse acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono recocido, o aluminio o acero inoxidable que se trata en superficie con uno de carbono, níquel, titanio, plata o similares. En este caso, el colector de electrodo positivo puede tener una rugosidad de superficie fina para mejorar la resistencia de unión con el material activo de electrodo positivo, y el colector de electrodo positivo puede usarse en diversas formas tales como una película, una hoja, una lámina, una red, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma, un cuerpo de material textil no tejido y similares.
El material activo de electrodo positivo es un compuesto capaz de intercalar y desintercalar litio de manera reversible, en el que el material activo de electrodo positivo puede incluir específicamente un óxido de metal compuesto de litio que incluye litio y al menos un metal tal como cobalto, manganeso, níquel, aluminio o hierro. Específicamente, el óxido de metal compuesto de litio puede incluir óxido basado en litio-hierro que tiene una estructura de olivino (como ejemplo específico, LiFePO4), óxido basado en litio-manganeso (por ejemplo, LiMnO2, LiMn2O4 , etc.), óxido basado en litio-cobalto (por ejemplo, LiCoO2 , etc.), óxido basado en litio-níquel (por ejemplo, LiNiO2 , etc.), óxido basado en litio-níquel-manganeso (por ejemplo, LiNh_Y1MnY1O2 (donde 0<Y1<1), LiMn2-Z1NiZ-iO4 (donde 0<Z1<2), etc.), óxido basado en litio-níquel-cobalto (por ejemplo, LÍNÍ1-y2Coy2O2 (donde 0<Y2<1), etc.), óxido basado en litio-manganeso-cobalto (por ejemplo, LiCo1-Y3MnY3O2 (donde 0<Y3<1), LiMn2-Z2CoZ2O4 (donde 0<Z2<2), etc.), óxido basado en litio-níquel-manganeso-cobalto (por ejemplo, Li(Nip1COq1Mnri)O2 (donde 0<p1<1, 0<q1>1, 0<r1<1, y p1+q1+r1=1) o Li(Nip2Coq2Mnr2)O4 (donde 0<p2<2, 0<q2<2, 0<r2<2, y p2+q2+r2=2), etc.) o u óxido de litioníquel-cobalto-metal de transición (M) (por ejemplo, Li(Nip3Coq3Mnr3MS1)O2 (donde M se selecciona del grupo que consiste en aluminio (Al), hierro (Fe), vanadio (V), cromo (Cr), titanio (Ti), tántalo (Ta), magnesio (Mg) y molibdeno (Mo), y p3, q3, r3, y S1 son fracciones atómicas de cada elemento independiente, donde 0<p3<1, 0<q3<1, 0<r3<1, 0<S1<1, y p3+q3+r3+S1=1), etc.), y puede incluirse uno cualquiera de los mismos o un compuesto de dos o más de los mismos.
Entre estos materiales, en cuanto a la mejora de las características de capacidad y estabilidad de la batería, el óxido de metal compuesto de litio puede incluir LiFePO4 , LiCoO2 , LiMnO2, LiNO2, óxido de litio-níquel-manganeso-cobalto (por ejemplo, Li(Ni0,6Mn0,2Co0,2)O2, Li(Ni0,5Mn0,3Co0,2)O2, o Li(Ni0,8Mn0,1Co0,1)O2), u óxido de litio-níquel-cobaltoaluminio (por ejemplo, LiNi0,8Co0,15Al0,05O2, etc.), y, teniendo en cuenta una mejora significativa debida al control del tipo y razón de contenido de elementos que constituyen el óxido de metal compuesto de litio, el óxido de metal compuesto de litio puede incluir Li(Ni0,6Mn0,2Co0,2)O2, Li(Ni0,5Mn0,3Co0,2)O2 , Li(Ni0,7Mn0,15Co0,15)O2 o Li(Ni0,8Mn0,1Co0,1)O2, y puede usarse uno cualquiera de los mismos o una mezcla de dos o más de los mismos. En el óxido de metal compuesto de litio, al menos uno de los elementos metálicos excluyendo litio puede incluir al menos un elemento seleccionado del grupo que consiste en Al, cobre (Cu), Fe, V, Cr, Ti, circonio (Zr), cinc (Zn), Ta, niobio (Nb), Mg, boro (B), wolframio (W) y Mo. En un caso en el que se incluye además el elemento anteriormente descrito en el óxido de metal compuesto de litio, se mejora la estabilidad estructural del material activo de electrodo positivo y, como resultado, pueden mejorarse las características de salida de la batería.
El aglutinante para un electrodo es un componente que ayuda en la unión entre el material activo de electrodo positivo y el agente conductor para un electrodo y en la unión con el colector de corriente. Específicamente, el aglutinante puede incluir poli(fluoruro de vinilideno), poli(alcohol vinílico), carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, politetrafluoroetileno, polietileno (PE), polipropileno, un terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), un EPDM sulfonado, un caucho de estireno-butadieno, caucho de estireno-butadieno - carboximetilcelulosa (SBR-CMC), un caucho de fluoro, diversos copolímeros y similares.
El agente conductor para un electrodo es un componente para mejorar adicionalmente la conductividad del material activo de electrodo positivo. Puede usarse cualquier agente conductor para un electrodo sin limitación particular siempre que tenga conductividad sin provocar cambios químicos adversos en la batería y, por ejemplo, puede usarse un material conductor, tal como: grafito; un material basado en carbono tal como negro de carbono, negro de acetileno, negro de Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara y negro térmico; fibras conductoras tales como fibras de carbono o fibras de metal; polvo de metal tal como polvo de fluorocarbono, polvo de aluminio y polvo de níquel; fibras cortas conductoras tales como fibras cortas de óxido de cinc y fibras cortas de titanato de potasio; óxido de metal conductor tal como óxido de titanio; o derivados de polifenileno. Los ejemplos específicos de un agente conductor comercial pueden incluir productos basados en negro de acetileno (Chevron Chemical Company, negro de Denka (Denka Singapore Private Limited), o Gulf Oil Company), negro de Ketjen, productos
basados en carbonato de etileno (EC) (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) y Super P (Timcal Graphite & Carbon).
El disolvente puede incluir un disolvente orgánico, tal como N-metil-2-pirrolidona (NMP), y puede usarse en una cantidad tal que se obtiene una viscosidad deseable cuando se incluye el material activo de electrodo positivo, así como selectivamente el aglutinante para un electrodo y el agente conductor para un electrodo.
(2) Electrodo negativo
Además, el electrodo negativo puede prepararse, por ejemplo, recubriendo un colector de electrodo negativo con una suspensión de material activo de electrodo negativo que incluye un material activo de electrodo negativo, un aglutinante para un electrodo, un agente conductor para un electrodo y un disolvente. El propio colector de corriente de metal puede usarse como electrodo negativo.
El colector de electrodo negativo no está particularmente limitado siempre que tenga una alta conductividad sin provocar cambios químicos adversos en la batería, y puede usarse, por ejemplo, cobre, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono recocido, cobre o acero inoxidable que está tratado en superficie con uno de carbono, níquel, titanio, plata o similares, una aleación de aluminio-cadmio o similares. Además, de manera similar al colector de electrodo positivo, el colector de electrodo negativo puede tener una rugosidad de superficie fina para mejorar la resistencia de unión con el material activo de electrodo negativo, y el colector de electrodo negativo puede usarse en diversas formas tales como una película, una hoja, una lámina, una red, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma, un cuerpo de material textil no tejido y similares.
El material activo de electrodo negativo puede incluir al menos un material activo de electrodo negativo seleccionado del grupo que consiste en grafito natural, grafito artificial, un material carbonoso; óxido compuesto de titanio que contiene litio (LTO); metales (Me) tales como silicio (Si), estaño (Sn), litio (Li), Zn, Mg, cadmio (Cd), cerio (Ce), níquel (Ni), o Fe; aleaciones compuestas por los metales (Me); óxidos (MeOx) de los metales (Me); y materiales compuestos de los metales (Me) y carbono.
Dado que el aglutinante para un electrodo, el agente conductor para un electrodo y el disolvente son los mismos que los descritos anteriormente, se omitirán descripciones detalladas de los mismos.
En la batería secundaria de litio según la presente invención, puede formarse una película que contiene boro y azufre sobre la superficie de al menos un electrodo seleccionado del grupo que consiste en el electrodo positivo y el electrodo negativo usando el electrolito para una batería secundaria de litio que incluye el compuesto representado por la fórmula 1.
Específicamente, puede incluirse un producto de descomposición que contiene boro y azufre en la película mientras que el compuesto representado por la fórmula 1 se descompone mediante la reacción de descomposición del electrolito durante la carga y descarga de la batería.
Por ejemplo, la película que contiene boro y azufre puede formarse sobre la superficie del electrodo positivo mediante una reacción de descomposición de oxidación o sobre la superficie del electrodo negativo mediante una reacción de descomposición de reducción.
(3) Separador
Una película de polímero porosa típica usada como separador típico, por ejemplo, una película de polímero porosa preparada a partir de un polímero basado en poliolefina, tal como un homopolímero de etileno, un homopolímero de propileno, un copolímero de etileno-buteno, un copolímero de etileno-hexeno y un copolímero de etileno-metacrilato, puede usarse sola o en una laminación con la misma como separador, y puede usarse una película de polímero porosa basada en poliolefina recubierta con partículas inorgánicas (por ejemplo: AhOa) o un material textil no tejido poroso típico, por ejemplo, un material textil no tejido formado por fibras de vidrio de alto punto de fusión o fibras de poli(tereftalato de etileno), pero la presente invención no se limita a lo mismo.
A continuación en el presente documento se describirá en detalle la presente invención, según ejemplos específicos. Sin embargo, los siguientes ejemplos se presentan simplemente para mostrar a modo de ejemplo la presente invención, y el alcance de la presente invención no se limita a los mismos. Resultará evidente para los expertos en la técnica que son posibles diversas modificaciones y alteraciones dentro del alcance de las reivindicaciones.
Tales modificaciones y alteraciones se encuentran dentro del alcance de reivindicaciones incluidas en el presente documento.
Ejemplos
Ejemplo 1.
(1) Preparación de electrolito para batería secundaria de litio
Se preparó un electrolito para una batería secundaria de litio añadiendo 0,5 g del compuesto representado por la fórmula 1A, como un aditivo, y 2 g de 1,3-propano-sultona, como aditivo adicional, a 97,5 g de un disolvente orgánico (carbonato de difluoroetileno (DFEC):carbonato de fluoroetileno (FEC):carbonato de etilo y metilo (EMC) = 1:1:8, razón en volumen) en el que se disolvió LiPF61,0 M.
(2) Preparación de batería secundaria de litio
Se mezclaron un material activo de electrodo positivo (LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2; NCM811), negro de carbono como agente conductor, y un aglutinante mixto de poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF) y caucho en una razón en peso de 96,25:1,5:2,25 y después se añadieron a N-metil-2-pirrolidona (NMP), como disolvente, para preparar una suspensión de material activo de electrodo positivo (contenido en sólidos: 50% en peso). Se recubrió una película delgada de aluminio (Al) de 12 |im de grosor, como colector de electrodo positivo, con la suspensión de material activo de electrodo positivo, se secó y se prensó con rodillo para preparar un electrodo positivo.
Se mezclaron un material activo de electrodo negativo (Si:grafito = 70:18, razón en peso), negro de carbono como agente conductor y poli(ácido acrílico) de litio (LiPAA), como aglutinante, en una razón en peso de 88:2:10 y después se añadieron a agua, como disolvente, para preparar una suspensión de material activo de electrodo negativo (contenido en sólidos: 60% en peso). Se recubrió una película delgada de cobre (Cu) de 6 |im de grosor, como colector de electrodo negativo, con la suspensión de material activo de electrodo negativo, se secó y después se prensó con rodillo para preparar un electrodo negativo.
Se preparó un conjunto de electrodo apilando secuencialmente el electrodo positivo, un separador poroso basado en poliolefina recubierto con partículas inorgánicas (AhOs), y el electrodo negativo. Después de eso, se albergó el conjunto de electrodo en una carcasa de batería de tipo bolsa y se inyectó el electrolito para una batería secundaria de litio en la misma para preparar una batería secundaria de litio de tipo bolsa.
Ejemplo 2.
Se prepararon un electrolito para una batería secundaria de litio y una batería secundaria de litio de la misma manera que en el ejemplo 1 excepto porque se añadieron 0,7 g del compuesto representado por la fórmula 1A y 2 g de 1,3-propano-sultona a 97,3 g del disolvente orgánico cuando se preparó el electrolito para una batería secundaria de litio.
Ejemplo 3.
Se prepararon un electrolito para una batería secundaria de litio y una batería secundaria de litio de la misma manera que en el ejemplo 1 excepto porque se añadieron 0,8 g del compuesto representado por la fórmula 1A y 2 g de 1,3-propano-sultona a 97,2 g del disolvente orgánico cuando se preparó el electrolito para una batería secundaria de litio.
[Ejemplos comparativos]
Ejemplo comparativo 1.
Se prepararon un electrolito para una batería secundaria de litio y una batería secundaria de litio de la misma manera que en el ejemplo 1 excepto porque no se añadió el compuesto representado por la fórmula 1A cuando se preparó el electrolito para una batería secundaria de litio.
[Ejemplos experimentales]
Ejemplo experimental 1: evaluación de la resistencia inicial
Después de cargar cada una de las baterías secundarias de litio preparadas en los ejemplos 1 a 3 y el ejemplo comparativo 1 a una corriente constante (CC) de 0,1 C hasta 4,20 V en condición de corriente constante-tensión constante (CC-CV) condición (corte de corriente de 0,05 C) para activarse, se realizó la desgasificación. Después de eso, se cargó cada batería secundaria de litio a una CC de 0,33 C hasta 4,20 V en una condición de corriente constante-tensión constante (CC-CV) a 25°C, después se sometieron a un punto de corte de corriente de 0,05 C y se descargaron a una CC de 0,33 C hasta 2,5 V. La carga/descarga anterior se definieron como un ciclo, y la capacidad de descarga después de realizarse 3 ciclos a 0,33 C dentro de un intervalo de 2,5 V a 4,2 V se estableció como la capacidad de descarga inicial. Se midió la capacidad de descarga inicial usando un equipo de carga/descarga PNE-0506 (fabricante: PNE SOLUTION Co., Ltd., 5 V, 6 A)). Después, se ajustó el estado de carga (SOC) al 50%, se aplicó un pulso a 2,5 C durante 10 segundos para calcular la resistencia inicial usando una diferencia de tensión antes y después de la aplicación del pulso, y los resultados de lo mismo se presentan en la
figura 1. Haciendo referencia a la figura 1, puede confirmarse que, dado que los valores de resistencia inicial de las baterías secundarias de litio de los ejemplos 1 a 3, a las que se les añadió el compuesto representado por la fórmula 1A, fueron inferiores al de la batería secundaria de litio del ejemplo comparativo 1, se mejoraron las características de resistencia.
Ejemplo experimental 2: evaluación de la capacidad de descarga inicial
Después de activarse cada una de las baterías secundarias de litio preparadas en el ejemplo 1 y el ejemplo comparativo 1 a una CC de 0,1 C, se cargó cada batería secundaria de litio a una CC de 0,33 C hasta 4,20 V en una condición de corriente constante-tensión constante (CC-CV) a 25°C, después se sometieron a un punto de corte de corriente de 0,05 C y se descargaron a una CC de 0,33 C hasta 2,5 V.
La carga/descarga anterior se definieron como un ciclo, la capacidad de descarga después de realizarse 3 ciclos se definió como capacidad de descarga inicial y se midió la capacidad de descarga inicial usando un equipo de carga/descarga PNE-0506 (fabricante: PNE SOLUTION Co., Ltd., 5 V, 6 A)). Las capacidades de descarga iniciales medidas se presentan en la figura 2. Haciendo referencia a la figura 2, puede confirmarse que la capacidad de descarga inicial de la batería secundaria de litio del ejemplo 1 era superior a la de la batería secundaria de litio del ejemplo comparativo 1.
Ejemplo experimental 3: evaluación de características de vida útil
Después de activarse cada una de las baterías secundarias de litio preparadas en el ejemplo 1 y el ejemplo comparativo 1 a una CC de 0,1 C, se realizó la desgasificación.
Posteriormente, se cargó cada batería secundaria de litio a una CC de 0,33 C hasta 4,20 V en una condición de corriente constante-tensión constante (CC-CV) a 25°C, después se sometieron a un punto de corte de corriente de 0,05 C y se descargaron a una CC de 0,33 C hasta 2,5 V. La carga/descarga anterior se definieron como un ciclo, la capacidad de descarga después de realizarse 3 ciclos se definió como capacidad de descarga inicial y se midió la capacidad de descarga inicial usando un equipo de carga/descarga PNE-0506 (fabricante: PNE SOLUTION Co., Ltd., 5 V, 6 A)). Después de eso, se ajustó el estado de carga (SOC) al 50% y después se aplicó un pulso a 2,5 C durante 10 segundos para calcular la resistencia inicial usando una diferencia de tensión antes y después de la aplicación del pulso.
A continuación, se cargó cada batería secundaria de litio a una CC de 1,0 C hasta 4,2 V en una condición de corriente constante-tensión constante (CC-CV) a 45°C, después se sometieron a un punto de corte de corriente de 0. 05 C y se descargaron a 0,5 C en una condición de CC hasta 3,0 V. La carga y descarga anteriores se definieron como un ciclo, se realizaron 200 ciclos de carga y descarga a temperatura ambiente (25°C) y después se midió la retención de capacidad (%). Se calculó la retención de capacidad usando la ecuación: (capacidad de descarga después de 200 ciclos/capacidad de descarga después de 1 ciclo) * 100. Las retenciones de capacidad medidas se presentan en la figura 3.
Según la figura 3, puede entenderse que, después de 200 ciclos de carga y descarga, la batería secundaria de litio del ejemplo 1 tenía una retención de capacidad superior a la batería secundaria de litio del ejemplo comparativo 1, y, haciendo referencia a estos resultados, puede confirmarse que las características de ciclo de la batería secundaria de litio del ejemplo 1 se mejoraron en comparación con las de la batería secundaria de litio del ejemplo comparativo 1.
Claims (1)
- REIVINDICACIONESElectrolito para una batería secundaria de litio, comprendiendo el electrolito: una sal de litio; un disolvente orgánico; y un aditivo,en el que el aditivo comprende un compuesto representado por la fórmula 1:[Fórmula 1]
en el que, en la fórmula 1, Ri y R2 son cada uno independientemente un grupo alquilo que tiene de 1 a 3 átomos de carbono.Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que, en la fórmula 1, Ri y R2 se seleccionan cada uno independientemente del grupo que consiste en -CH3,-C2H5, -C3H7y -CH(CH3)2. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el compuesto representado por la fórmula 1 se selecciona del grupo que consiste en compuestos representados por las fórmulas 1A a 1J.[Fórmula 1A]
[Fórmula 1B]
[Fórmula 1C]
iH i n3 U ......... rO v[Fórmula 1D]
[Fórmula 1E]
[Fórmula 1F]
[Fórmula 1G]
[Fórmula 1H]
[Fórmula 11]
[Fórmula 1J]P'F -------B + 3 — P(H3C)2HC------ S -------CH(CH3)24. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el compuesto representado por la fórmula 1 está presente en una cantidad de 0,1 partes en peso a 2 partes en peso basándose en 100 partes en peso del electrolito para una batería secundaria de litio.5. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el compuesto representado por la fórmula 1 está presente en una cantidad de 0,3 partes en peso a 2 partes en peso basándose en 100 partes en peso del electrolito para una batería secundaria de litio.6. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el compuesto representado por la fórmula 1 está incluido en una cantidad de 0,3 partes en peso a 1 parte en peso basándose en 100 partes en peso del electrolito para una batería secundaria de litio.7. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el aditivo comprende además al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en un compuesto basado en vinilsilano, un compuesto basado en fosfato o fosfito, un compuesto basado en sulfito, un compuesto basado en sulfona, un compuesto basado en sulfato, un compuesto basado en sultona, un compuesto basado en carbonato sustituido con halógeno, un compuesto basado en nitrilo, un compuesto basado en borato y un compuesto basado en sal de litio.8. Electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1, en el que el aditivo comprende además al menos un compuesto seleccionado del grupo que consiste en 1,3-propano-sultona, 1,4-butanosultona, etano-sultona, 1,3-propeno-sultona, 1,4-buteno-sultona y 1-metil-1,3-propeno-sultona.9. Batería secundaria de litio que comprende un electrodo positivo; un electrodo negativo; y el electrolito para una batería secundaria de litio según la reivindicación 1.10. Batería secundaria de litio según la reivindicación 9, en el que una película que contiene boro y azufre está formada sobre una superficie de al menos uno del electrodo positivo y el electrodo negativo.
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