GR20160100371A - Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου - Google Patents
Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου Download PDFInfo
- Publication number
- GR20160100371A GR20160100371A GR20160100371A GR20160100371A GR20160100371A GR 20160100371 A GR20160100371 A GR 20160100371A GR 20160100371 A GR20160100371 A GR 20160100371A GR 20160100371 A GR20160100371 A GR 20160100371A GR 20160100371 A GR20160100371 A GR 20160100371A
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- electrolyte
- electrochemical cell
- rechargeable lithium
- cell according
- carbonate
- Prior art date
Links
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title abstract description 21
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 41
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- -1 fluoroethyl carbonate Chemical compound 0.000 claims description 14
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims description 11
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N Isothiocyanatocyclopropane Chemical compound S=C=NC1CC1 JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N butyric acid octyl ester Natural products CCCCCCCCOC(=O)CCC PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N n-butyric acid methyl ester Natural products CCCC(=O)OC UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 7
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 5
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 claims description 5
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000006184 cosolvent Substances 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000007710 freezing Methods 0.000 claims description 3
- 229910021424 microcrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008014 freezing Effects 0.000 claims description 2
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000010450 olivine Substances 0.000 claims description 2
- 229910052609 olivine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 abstract description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 31
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XUPYJHCZDLZNFP-UHFFFAOYSA-N butyl butanoate Chemical compound CCCCOC(=O)CCC XUPYJHCZDLZNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound FC1COC(=O)O1 SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 4
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 4
- 229910001290 LiPF6 Inorganic materials 0.000 description 3
- RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N Methyl propionate Chemical group CCC(=O)OC RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229940017219 methyl propionate Drugs 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 1-benzylpyrrolidine-3-carboxamide Chemical compound C1C(C(=O)N)CCN1CC1=CC=CC=C1 HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910052493 LiFePO4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 2
- OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N butanoic acid ethyl ester Natural products CCCC(=O)OCC OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NMJJFJNHVMGPGM-UHFFFAOYSA-N butyl formate Chemical compound CCCCOC=O NMJJFJNHVMGPGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 2
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000011356 non-aqueous organic solvent Substances 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- HUAZGNHGCJGYNP-UHFFFAOYSA-N propyl butyrate Chemical compound CCCOC(=O)CCC HUAZGNHGCJGYNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- KFNNIILCVOLYIR-UHFFFAOYSA-N Propyl formate Chemical compound CCCOC=O KFNNIILCVOLYIR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N butyl acetate Chemical compound CCCCOC(C)=O DKPFZGUDAPQIHT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000005676 cyclic carbonates Chemical class 0.000 description 1
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910001540 lithium hexafluoroarsenate(V) Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910001463 metal phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N propyl acetate Chemical compound CCCOC(C)=O YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011877 solvent mixture Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 238000005118 spray pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 210000000352 storage cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
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
- H01M10/056—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
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- 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
-
- 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
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4235—Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
-
- 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
-
- 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
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
- H01M4/1391—Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
-
- 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
- H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
-
- 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
- H01M4/58—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
- H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
-
- 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
- H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
-
- 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
- H01M2300/004—Three 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
- H01M4/36—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
-
- 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)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Η παρούσα εφεύρεση περιγράφει ένα επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί αποθήκευσης ενέργειας τεχνολογίας ιόντων Λιθίου, το οποίο συνδυάζει ενεργά υλικά (άνοδο, ηλεκτρολύτη και κάθοδο) με τρόπο τέτοιο, ώστε να μπορεί να λειτουργεί με μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα (μεγαλύτερη από 200 Wh/kg) και υψηλή απόδοση κατά τη διάρκεια φόρτισης και εκφόρτισης σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και πιο συγκεκριμένα σε θερμοκρασίες κάτω από τους -20 βαθμούς Κελσίου και τουλάχιστον μέχρι -40 βαθμούς Κελσίου. Η παρούσα εφεύρεση εξυπηρετεί συστήματα και διατάξεις, που απαιτούν συσσώρευση υψηλής πυκνότητας ενέργειας και επομένως χαμηλού βάρους και λειτουργία σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας με ταυτόχρονη μικρή κατανάλωση ενέργειας. Η παρούσα εφεύρεση βρίσκει εφαρμογή στην Τεχνολογία του Διαστήματος, σε στρατιωτικές εφαρμογές, καθώς και στην αυτοκινητοβιομηχανία, που το ενδιαφέρον εστιάζεται σε μπαταρίες χαμηλού βάρους και ικανές να λειτουργήσουν αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Description
ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί ιόντων λιθίου
Η παρούσα εφεύρεση ανήκει στο πεδίο της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με ηλεκτροχημικό τρόπο και πιο συγκεκριμένα στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων Αιθίου.
Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η χαμηλή απόδοση των επαναφορτιζόμενων μπαταριών ιόντων Αιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες σχετίζεται με: χαμηλή αγωγιμότητα ηλεκτρολύτη, αργή κινητική μεταφοράς φορτίου, υψηλή αντίσταση στη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου - ηλεκτρολύτη και αργή διάχυση ιόντων Αιθίου μέσα από τα επιφανειακά ατομικά επίπεδα και της κύριας μάζας των ενεργών υλικών των σωματιδίων των ηλεκτροδίων. Προς επίλυση αυτού του προβλήματος, στην τρέχουσα στάθμη της τεχνικής έχουν προταθεί δύο λύσεις: (i) τροποποίηση των διεπιφανειακών ιδιοτήτων, έτσι ώστε να ελαττωθεί η υψηλή ενέργεια ενεργοποίησης της κινητικής μεταφοράς φορτίου με επιφανειακή επικάλυψη ή αλλάζοντας τη σύσταση του ηλεκτρολύτη και (ii) αύξηση του εμβαδού της διεπιφάνειας χρησιμοποιώντας νανοδομημένα ηλεκτρόδια ή ηλεκτρόδια διαφορετικής μορφολογίας. Επιπλέον, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας του ηλεκτρολύτη, αφού η αγωγιμότητα των ιόντων λιθίου στον ηλεκτρολύτη φαίνεται να είναι το βραδύ βήμα σε θερμοκρασίες χαμηλότερες του 0 °C. Ως εκ τούτου, πολύ λίγες πληροφορίες μπορούν να εντοπιστούν στην βιβλιογραφία σχετικά με τη συμπεριφορά των ηλεκτροδίων, ανόδου και καθόδου, σε αυτές τις συνθήκες.
Το πρόβλημα της μειωμένης απόδοσης σε χαμηλές θερμοκρασίες επιχειρεί να επιλύσει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας US 6,399,255 Β2, το οποίο περιγράφει ένα επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί ιόντων λιθίου το οποίο περιλαμβάνει έναν ηλεκτρολύτη αποτελούμενο από άλας λιθίου διαλυμένου σε μη - υδατικό διαλύτη, τουλάχιστον ένα θετικό ηλεκτρόδιο και τουλάχιστον ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελούμενο από μία μορφή άνθρακα που επιτρέπει την είσοδο ιόντων Λιθίου στην κύρια μάζα του και ένα συνδετικό υλικό το οποίο είναι πολυμερές που δεν περιέχει φθόριο. Ο διαλύτης του ηλεκτρολύτη περιέχει τουλάχιστον έναν κορεσμένο κυκλικό ανθρακικό αλκυλεστέρα και τουλάχιστον ένα γραμμικό εστέρα ενός κορεσμένου αλειφατικού μονοκαρ βοξυλικού οξέος. Τα κελιά με ηλεκτρολύτες που περιέχουν οξικό αιθυλεστέρα (ΕΑ) ή μεθυλικό βουτυλεστέρα (MB) έδωσαν καλύτερα αποτελέσματα στους -20 °C από τα κελιά που δεν περιείχαν ΕΑ ή MB. Στους -40 °C εξακολουθούσαν να δίνουν τα τρία τέταρτα της αρχικής τους χωρητικότητας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αν και η εκφόρτιση του κελιού γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία, η φόρτιση του κελιού λάμβανε χώρα πάντα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος περιορίζοντας αισθητά τις δυνατότητες αξιοποίησης των συγκεκριμένων κελιών.
Επίσης το πρόβλημα της μειωμένης απόδοσης σε χαμηλές θερμοκρασίες επιχειρεί να επιλύσει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας US 7,722,985Β2 το οποίο περιγράφει ένα μίγμα διαλυτών για τη χρήση τους σε ηλεκτρολύτη συσσωρευτών ιόντων Λιθίου. Το μίγμα των διαλυτών αποτελείται από 50 έως 95% κατ' όγκο ενός γραμμικού εστέρα κορεσμένου οξέος με αριθμό ατόμων άνθρακα από C2 έως C8 και 5 έως 50% κατ' όγκο ενός κορεσμένου κυκλικού ανθρακικού εστέρα (C3 έως C6) και ενός κορεσμένου γραμμικού ανθρακικού εστέρα, με μόνο έναν από τους δύο εστέρες να υποκαθίστανται από τουλάχιστον ένα άτομο αλογόνου. Σύμφωνα με αυτό το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας η μπαταρία είναι ικανή να λειτουργήσει σε χαμηλές θερμοκρασίες μέχρι -60 °C και πάλι όμως μόνο για την διαδικασία της εκφόρτισης και όχι της φόρτισης, η οποία θα πρέπει να πραγματοποιηθεί σε υψηλή θερμοκρασία (~25 °C).
Το ίδιο πρόβλημα της μειωμένης απόδοσης σε χαμηλές θερμοκρασίες επιχειρούν να επιλύσουν τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας US 8,920,981 Β2 και US 2009/0253046 Α1 τα οποία περιγράφουν έναν ηλεκτρολύτη για χρήση σε ηλεκτροχημικά κελία ιόντων λιθίου που λειτουργούν και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από ένα μίγμα από ανθρακικό αιθυλεστέρα (ethylene carbonate, EC), ανθρακικό αιθυλ-μεθυλ-εστέρα (ethyl-methyl-carbonate, EMC), έναν επιπλέον εστέρα και ένα άλας λιθίου. Ο εστέρας συνίσταται από μεθανικό προπυλεστέρα, αιθανικό προπυλεστέρα, μεθανικό βουτυλεστέρα, αιθανικό βουτυλεστέρα, προπανικό βουτυλεστέρα ή βουτανικό βουτυλεστέρα. Ένα ηλεκτροχημικό κελί που αποτελείται από μία άνοδο, μία κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη που περιγράφηκε προηγουμένως με ένα άλας λιθίου, λειτουργεί, όσον αφορά την παροχή της αποθηκευμένης ενέργειας (εκφόρτιση), σε μια θερμοκρασιακή περιοχή από -60 έως 60 °C, με την προϋπόθεση ότι η φόρτιση λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Έχει προταθεί ακόμη (Electrochimica Acta 136 (2014) 182) η χρήση τριών ειδών συμπολυμερών πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) ως πρόσθετα σε συνηθισμένο διάλυμα υγρού ηλεκτρολύτη για την βελτίωση της απόδοσης μπαταρίας ιόντων Λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες. Διαλύματα υγρών ηλεκτρολυτών βασιζόμενα σε PDMS συμπολυμερή είναι ηλεκτροχημικώς σταθερά μέχρι τα 5 V και παρουσιάζουν ικανοποιητική ιοντική αγωγιμότητα στους -20 °C. Ως αποτέλεσμα, η προσθήκη PDMS συμπολυμερών ως προσθέτων σε υγρούς ηλεκτρολύτες οδηγούν στη διατήρηση της χωρητικότητας και της λειτουργίας σε υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης μπαταριών ιόντων λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ. 79% στους -20 °C). Και σε αυτήν την περίπτωση μόνο η εκφόρτιση λαμβάνει χώρα σε χαμηλή θερμοκρασία ενώ η φόρτιση πραγματοποιείται στους 25 °C.
Έχει προταθεί ακόμη ( Int J. Electrochem. Sci., 8 (2013) 8502) η τροποποίηση της σύστασης του ηλεκτρολύτη σε κελιά όπου η ενεργός ύλη της καθόδου αποτελούνταν κυρίως από LiFePO4με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης του κελιού σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η βελτίωση της αγωγιμότητας του ηλεκτρολύτη πραγματοποιήθηκε μέσω της βελτιστοποίησης της αναλογίας των διαλυτών του ηλεκτρολύτη. Επιτεύχθηκε η τροποποίηση της διεπιφάνειας του ανοδικού ηλεκτροδίου με τον ηλεκτρολύτη με την προσθήκη του Li2CO3στον υψηλής αγωγιμότητας ηλεκτρολύτη με σύσταση LiPF6- EC/PC/EMC (0.14/0.18/0.68). Για κελιά με καθοδικό ηλεκτρόδιο LiFePO4και λειτουργία στους -30 °C επιτεύχθηκε η λήψη μόλις του 51.5% της ονομαστικής χωρητικότητας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με την προσθήκη 4% Li2CO3στον ηλεκτρολύτη. Επιπλέον, και για τα κελιά αυτά οι κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης δεν πραγματοποιήθηκαν εξολοκλήρου στην επιθυμητή θερμοκρασία λειτουργίας (-30 °C) καθώς η φόρτισή τους έγινε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Έπειτα από θεωρητική και πειραματική μελέτη, έχει αναφερθεί (Journal of The Electrochemical Society, 160 (2013) A636) ότι η λειτουργία της μπαταρίας ιόντων Λιθίου στις χαμηλές θερμοκρασίες και συγκεκριμένα στους -20 °C για χαμηλούς ρυθμούς εκφόρτισης εξαρτάται από την κινητική της μεταφοράς φορτίου η οποία αποτελεί και τον περιοριστικό παράγοντα στη λειτουργία του. Βελτιστοποίηση των σχεδιαστικών παραμέτρων του κελιού και των ιδιοτήτων των υλικών οδήγησαν σε τιμή χωρητικότητας 1.55 Ah στους -20 °C με χωρητικότητα, σε σύγκριση με τα 2.2 Ah σε θερμοκρασία δωματίου. Στο έγγραφο αυτό δεν παρουσιάζονται αποτελέσματα για την λειτουργία σε θερμοκρασίες μικρότερες από -40 °C. Και σε αυτήν την περίπτωση η φόρτιση του κελιού λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου.
Σε άλλη δημοσίευση (Journal of The Electrochemical Society, 157 (2010) A1361 ) παρουσιάζεται η βελτίωση τόσο της εκφόρτισης όσο και της λειτουργίας σε υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης κελιών ιόντων Λιθίου, σε χαμηλές θερμοκρασίες (μέχρι -60°C) με τη χρήση ηλεκτρολυτών μιγμάτων εστέρων με ανθρακικά άλατα. Πιο συγκεκριμένα, επιτεύχθηκε βελτιωμένη απόδοση με τη χρήση ηλεκτρολυτών της ακόλουθης σύστασης 1.0 Μ LiPF6σε EC EMC X (20:60:20 ν/ν %) [όπου X = προπιονικός μεθυλεστέρας (ΜΡ), προπιονικός αιθυλεστέρας (ΕΡ), βουτυρικός μεθυλεστέρας (MB), βουτυρικός αιθυλεστέρας (ΕΒ), βουτυρικός προπυλεστέρας (ΡΒ), Βουτυρικός βουτυλεστέρας (ΒΒ)]. Επίσης έδειξαν ότι ένα πρωτότυπο κελί που περιλαμβάνει ηλεκτρολύτη με σύσταση 1.0 Μ LiPF6EC EMC ΜΡ (20:60:20 ν/ν %) είναι ικανό να αποδώσει πάνω από 6 φορές τη χωρητικότητα που αποδίδει το κελί με τη χρήση ηλεκτρολύτη μόνο με μίγμα ανθρακικών αλάτων (χωρίς εστέρα). Επιπλέον, το κελί ήταν ικανό να υποστηρίξει μέτριους ρυθμούς εκφόρτισης σε χαμηλές θερμοκρασίες (-50 °C και -60°C). Η χωρητικότητα εκφόρτισης στους -40°C ήταν ~77% της χωρητικότητας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αν και το αποτέλεσμα κρίνεται ικανοποιητικό, παρ'όλα αυτά πρέπει να τονιστεί ότι η φόρτιση των κελιών λαμβάνει χώρα στη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Κοινό χαρακτηριστικό όλων των παραπάνω εργασιών είναι ότι μόνον η εκφόρτιση του κελιού γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία ενώ η φόρτιση του κελιού λάμβανε χώρα πάντα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η συγκεκριμένη συνθήκη φόρτισης αποτελεί και το βασικό μειονέκτημα των προτεινόμενων λύσεων καθώς καθιστά αναγκαία τη θέρμανση του κελιού στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (συνήθως με τη βοήθεια αντιστατών) και κατά συνέπεια την κατανάλωση σημαντικής ποσότητας ενέργειας κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Η ανάγκη κατανάλωσης ενέργειας κατά τη διάρκεια της φόρτισης περιορίζει τις δυνατότητες αξιοποίησης των συγκεκριμένων κελιών ειδικά σε εφαρμογές όπου η διαθέσιμη ενέργειας φόρτισης είναι περιορισμένη, ενώ επίσης αυξάνει το κόστος κατασκευής του συνολικού συστήματος.
Εν συντομία, η παρούσα εφεύρεση περιγράφει ένα ηλεκτροχημικό κελί αποθήκευσης ενέργειας τεχνολογίας ιόντων Λιθίου το οποίο συνδυάζει ενεργά υλικά (άνοδο, κάθοδο και ηλεκτρολύτη] με τρόπο τέτοιο ώστε να μπορεί να λειτουργεί με μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα (>200 Wh/kg) και υψηλή απόδοση σε φόρτιση και σε εκφόρτιση σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και πιο συγκεκριμένα σε θερμοκρασίες κάτω από τους -20 °C και τουλάχιστον -40 °C, σε αντίθεση με την υπάρχουσα τεχνολογία που δεν μπορούν να φορτίσουν σε χαμηλότερες από τους -20 °C.
Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η παρούσα εφεύρεση σε σύγκριση τις υπάρχουσες τεχνολογίες είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των κελιών (>200 Wh/kg) καθώς και η δυνατότητα φόρτισης στις χαμηλές θερμοκρασίες (τουλάχιστον -40 °C) με χωρητικότητα μεγαλύτερη από 70% σε σχέση με τη χωρητικότητα του κελιού σε θερμοκρασία δωματίου.
Στα σχέδια απεικονίζονται, εν συντομία, τα εξής:
Το σχέδιο 1 απεικονίζει τη γενική διάταξη του ηλεκτροχημικού κελιού ιόντων λιθίου.
Το σχέδιο 2 απεικονίζει σε διάγραμμα την αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 σε θερμοκρασία δωματίου, -10 °C και -40 °C.
Το σχέδιο 3 απεικονίζει σε διάγραμμα την ειδική ενεργειακή απόδοση της μπαταρίας όταν μειώνεται η θερμοκρασία διαδοχικά από θερμοκρασία δωματίου (RT) σε -20 °C και -40 °C.
Το σχέδιο 4 απεικονίζει σε διάγραμμα την τάση του κελιού ως προς το χρόνο κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση της μπαταρίας σε διάφορες θερμοκρασίες.
Ακολουθεί ένα παράδειγμα εφαρμογής της παρούσας εφεύρεσης με αναλυτική περιγραφή και αναφορά στα συνημμένα σχέδια.
Όπως φαίνεται στο σχέδιο 1 το ηλεκτροχημικό κελί ιόντων λιθίου αποτελείται από τα παρακάτω στοιχεία:
Τουλάχιστον ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο (1) το οποίο χρησιμεύει ως συλλέκτης ρεύματος για την άνοδο. Το μεταλλικό λεπτό φύλλο (1) μπορεί να είναι από χαλκό ή από άλλο μέταλλο.
Υμένιο μικρό κρυσταλλικού ή άμορφου πυριτίου (2) σε κοκκώδη ή/και κολωνοειδή μορφή το οποίο αποτίθεται τουλάχιστον στη μία από τις δύο πλευρές του λεπτού μεταλλικού φύλλου (1) με τεχνικές όπως Physical Vapor Deposition (PVD), Chemical Vapor Deposition (CVD), spin coating, spray pyrolysis, ή άλλες παρόμοιες τεχνικές. Το ανοδικό υλικό (2) πρέπει να παρέχει υψηλή ενεργό επιφάνεια με υψηλή ειδική χωρητικότητα σε λίθιου, μεγαλύτερης από 1500 mAh/g.
Ηλεκτρολύτη (3) ο οποίος αποτελείται από εξαφθοροφωσφορικό λίθιο (LiPF6) και σε έναν μη-υδατικό οργανικό διαλύτη. Ο μη-υδατικός οργανικός διαλύτης συνίσταται από τρία μέρη
(I) ένα τριμερές ή και τετραμερές μείγμα από διαλύτες γραμμικούς και κυκλικούς ανθρακικούς αλκυλεστέρες [ανθρακικός αιθυλεστέρας (ethylene carbonate, EC), ανθρακικός διμεθυλεστέρας (dimethyl carbonate, DMC), ανθρακικός διαιθυλεστέρας (diethyl carbonate, DEC), ανθρακικός αιθυλ-μεθυλ-εστέρας (ethyl-methyl-carbonate, EMC), ανθρακικός φθοροαιθυλεστέρας (fluoroethylene carbonate, FEC)],
(II) έναν συν-διαλύτη εστέρα χαμηλού σημείου πήξης, οξικό αιθυλεστέρα (ethyl acetate, ΕΑ) ή βουτυρικό μεθυλεστέρα (methyl butyrate, MB) και
(III) ανθρακικό βινυλεστέρα (vinylene carbonate, VC) ως πρόσθετο για την δημιουργία της διεπιφάνειας στερεού με υγρό ηλεκτρολύτη (Solid Electrolyte Interphase, SEI). Ως πρόσθετο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ο ανθρακικός φθοροαιθυλεστέρας (fluoroethylene carbonate, FEC).
Κάθοδος (4) κατασκευασμένη από υλικό το οποίο επιλέγεται είτε από ομάδα μικτών οξειδίων με δομή σπινελίου του γενικού τύπου Li1-
x(M<1>yM<2>zM<3>1-y-z)Ο2(0≤x<1, 0≤y,z<1) όπου Μ<1>, Μ<2>και Μ<3>μπορεί να είναι, συνδυαστικά, ένα από τα στοιχεία Ni, Co, Al, Fe και Μn είτε μεταλλικά οξείδια ή φωσφορικό άλας δομής ολιβίνης με το γενικό τύπο LiΜΡO40που Μ είναι τουλάχιστον ένα από Co, Ni, Fe, και Μn. Τα καλύτερα αποτελέσματα παρουσιάζονται με κάθοδο της ομάδας γενικού τύπου Li1-x(NiyCozAl1-y-z)O2.
Τουλάχιστον ένα λεπτό φύλλο μετάλλου (5) το οποίο έχει το ρόλο του συλλέκτη ρεύματος για την κάθοδο, πάνω στο οποίο έχει εναποτεθεί, τουλάχιστον στη μία από τις δύο πλευρές, η ενεργή ύλη της καθόδου (4). Το μεταλλικό λεπτό φύλλο (5) μπορεί να είναι από αλουμίνιο ή από άλλο μέταλλο.
Τουλάχιστον ένα διαχωριστή (6) από πολυπροπυλένιο τοποθετημένου μεταξύ του ανοδικού (2) και του καθοδικού (4) ηλεκτροδίου έτσι ώστε να μην υπάρχει ηλεκτρική επαφή μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Ο διαχωριστής (6) διαβρέχεται από τον ηλεκτρολύτη (3) .
Το επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί ιόντων Λιθίου που περιγράφεται παραπάνω αποδίδει, σε όρους -πυκνότητας ενέργειας, περισσότερα από 200 Wh/kg. Ο ηλεκτρολύτης που αναπτύχθηκε (3) παρουσιάζει υψηλή ιοντική αγωγιμότητα (>3 mS/cm) σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως -40 °C. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται μια σειρά από διαφορετικούς ηλεκτρολύτες με βάση άλας εξαφθοροφωσφορικού λιθίου (LiPF6) συγκέντρωσης 1Μ σε μη-υδάτινο διαλύτη που συνίσταται από (I) ένα τριμερές ή και τετραμερές μείγμα από διαλύτες γραμμικούς και κυκλικούς ανθρακικούς αλκυλεστέρες [ανθρακικός αιθυλεστέρας (ethylene carbonate, EC), ανθρακικός δίμεθυλεστέρας (dimethyl carbonate, DMC), ανθρακικός διαιθυλεστέρας (diethyl carbonate, DEC), ανθρακικός αιθυλ-μεθυλ-εστέρας (ethyl-methyl carbonate, EMC)], (II) έναν συνδιαλύτη εστέρα χαμηλού σημείου πήξης, οξικό αιθυλεστέρα (ethyl acetate, ΕΑ) ή βουτυρικό μεθυλεστέρα (methyl butyrate, MB) και (III) ανθρακικό βινυλεστέρα (vinylene carbonate, VC) ως πρόσθετο που βοηθά στην ανάπτυξη σταθερής δίεπιφάνειας στερεού με υγρό ηλεκτρολύτη (Solid Electrolyte Interphase, SEI).
Πίνακας 1
Στο σχέδιο 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της αγωγιμότητας των παραπάνω ηλεκτρολυτών σε θερμοκρασία δωματίου, -10 °C, -40 °C. Οι ηλεκτρολύτες με διαλύτη EC, και τουλάχιστον έναν από τους DMC ή DEC καθώς και οξικό αιθυλεστέρα ΕΑ συγκέντρωσης τουλάχιστον >30% παρουσιάζουν αγωγιμότητα υψηλότερη από 3 mS/cm στη θερμοκρασία των -40 °C.
Το ανοδικό υπόστρωμα πυριτίου (2) συνδυάζει το μεγάλο εμβαδόν ενεργής επιφάνειας το οποίο διευκολύνει τη διάχυση Λιθίου στην κύρια μάζα του πυριτίου με την υψηλή ειδική χωρητικότητα. Το μεγάλο εμβαδό οφείλεται στην κοκκώδη ή/και κολωνοειδή μορφή του μικροκρυσταλλικού ή άμορφου πυριτίου. Ο συνδυασμός του ηλεκτρολύτη (3) με το ανοδικό υπόστρωμα πυριτίου (2) οδηγεί σε εξαιρετικούς ρυθμούς μεταφοράς φορτίου, στη διεπιφάνεια ηλεκτρολύτη - ανοδικού ηλεκτροδίου, σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από το μηδέν, γεγονός που επιτρέπει να λαμβάνει χώρα η φόρτιση και εκφόρτιση του ηλεκτροχημικού συστήματος σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες, κυρίως λόγω της χαμηλής αντίστασης στη μεταφορά φορτίου σε σύγκριση με τα ηλεκτροχημικά συστήματα που έχουν εμφανιστεί στη βιβλιογραφία. Αποδείχθηκε πειραματικά ότι η χωρητικότητα του ηλεκτροχημικού συστήματος σε έναν κύκλο φόρτισης / εκφόρτισης στους -40°C ξεπερνάει το 70% και μπορεί να φτάσει μέχρι και το 80% της ονομαστικής χωρητικότητας του κελιού όπως ορίζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (Σχέδιο 3 και Σχέδιο 4).
Η παρούσα εφεύρεση εφαρμόζεται με τον ίδιο τρόπο εάν στον ηλεκτρολύτη (3) δεν χρησιμοποιηθεί το άλας εξαφθοροφωσφορικό λίθιο (LiPF6) αλλά άλλο άλας όπως τετραφθοροβορικό λίθιο (LiBF4), εξαφθοροαρσενικό λίθιο (LiAsF6), υπερχλωρικό λίθιο (LiClO4).
Η παρούσα εφεύρεση χρησιμοποιείται στην κατασκευή επαναφορτιζόμενων μπαταριών ιόντων λιθίου για την αξιοποίησή τους σε εφαρμογές που απαιτούν (i) συστήματα συσσώρευσης υψηλής πυκνότητας ενέργειας και επομένως χαμηλού βάρους και (ii) λειτουργία σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας με ταυτόχρονη μικρή κατανάλωση ενέργειας κατά διάρκεια της φόρτισης. Κατά συνέπεια, η παρούσα εφεύρεση βρίσκει εφαρμογή στην Τεχνολογία του Διαστήματος, σε στρατιωτικές εφαρμογές καθώς και στην αυτοκινητοβιομηχανία. Τα παραπάνω παραδείγματα εφαρμογής είναι αντιπροσωπευτικά και όχι αποκλειστικά.
Claims (10)
1. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου που περιλαμβάνει τουλάχιστον μία άνοδο, τουλάχιστον μία κάθοδο, ηλεκτρολύτη και τουλάχιστον ένα διαχωριστή, το οποίο χαρακτηρίζεται από το ότι
- η άνοδος (2) είναι κατασκευασμένη από υλικό υψηλού εμβαδού ενεργής επιφάνειας και υψηλής ειδικής χωρητικότητας μεγαλύτερη από 1500 mAh/g
και από το ότι ο ηλεκτρολύτης (3) αποτελείται από:
- ένα τουλάχιστον τριμερές μείγμα από διαλύτες,
- έναν τουλάχιστον συν-διαλύτη εστέρα χαμηλού σημείου πήξης, - ένα τουλάχιστον πρόσθετο υλικό για την δημιουργία της διεπιφάνειας στερεού με υγρό ηλεκτρολύτη,
- τουλάχιστον ένα άλας λιθίου.
2. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι το τουλάχιστον τριμερές μείγμα διαλυτών του ηλεκτρολύτη (3) αποτελείται από γραμμικούς και κυκλικούς ανθρακικούς αλκυλεστέρες μεταξύ των ανθρακικού αιθυλεστέρα EC, ανθρακικού διμεθυλεστέρα DMC, ανθρακικού διαιθυλεστέρα DEC, ανθρακικού αιθυλ-μεθυλ- εστέρα EMC, και ανθρακικού φθοροαιθυλεστέρα FEC.
3. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι ο τουλάχιστον ένας συν-διαλύτης εστέρα χαμηλού σημείου πήξης του ηλεκτρολύτη [3) είναι από οξικός αιθυλεστέρας ΕΑ, βουτυρικός μεθυλεστέρας MB, ή μείγμα αυτών και συγκέντρωσης μεγαλύτερης από 30% κ.ό.
4. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι το ένα τουλάχιστον πρόσθετο του ηλεκτρολύτη (3) για την δημιουργία της διεπιφάνειας στερεού με υγρό ηλεκτρολύτη (3) είναι ο ανθρακικός βινυλεστέρας VC.
5. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι το ένα τουλάχιστον πρόσθετο του ηλεκτρούτη (3) για την δημιουργία της διεπιφάνειας στερεού με υγρό ηλεκτρολύτη (3) είναι ο ανθρακικός φθοροαιθυλεστέρας FEC.
6. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι το ένα τουλάχιστον άλας λιθίου του ηλεκτρολύτη (3) είναι κατά προτίμηση μεταξύ των εξαφθοροφωσφορικό λίθιο (LiPF6), τετραφθοροβορικό λίθιο (LiBF4) , εξαφθοροαρσενικό λίθιο (LiAsF6), υπερχλωρικό λίθιο (LiClO4).
7. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι η άνοδος (2) είναι κατασκευασμένη από υμένιο άμορφου ή μικροκρυσταλλικού πυριτίου σε κοκκώδη μορφή και αποτίθεται τουλάχιστον από την μία πλευρά πάνω στο λεπτό μεταλλικό φύλλο (1).
8. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι η άνοδος (2) είναι κατασκευασμένη από υμένιο άμορφου ή μικροκρυσταλλικού -πυριτίου σε κολωνοειδή μορφή και αποτίθεται τουλάχιστον από την μία πλευρά πάνω στο λεπτό μεταλλικό φύλλο (1).
9. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι η κάθοδος (4) είναι κατασκευασμένη από
υλικό της ομάδας γενικού τύπου Li1-x(Μ<1>yΜ<2>zΜ<3>1-y-z)O2(0≤X<1, 0≤y,z<1] όπου Μ<1>, Μ<2>και Μ<3>είναι, συνδυαστικά, ένα από τα στοιχεία Ni, Co, Al, Fe, Μn και μεταλλικά οξείδια.
10. Επαναφορτιζόμενο ηλεκτροχημικό κελί λιθίου σύμφωνα με την αξίωση 1 που χαρακτηρίζεται από το ότι η κάθοδος (4) είναι κατασκευασμένη από φωσφορικό άλας δομής ολιβίνης με το γενικό τύπο LiMPO4όπου Μ είναι τουλάχιστον ένα από Co, Ni, Fe, και Mn.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GR20160100371A GR20160100371A (el) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου |
EP17811367.6A EP3482446A2 (en) | 2016-07-05 | 2017-06-06 | Rechargeable electrochemical lithium ion cell |
CA3029907A CA3029907A1 (en) | 2016-07-05 | 2017-06-06 | Rechargeable electrochemical lithium ion cell |
KR1020197003509A KR20190025994A (ko) | 2016-07-05 | 2017-06-06 | 재충전 가능한 전기 화학적 리튬 이온 전지 |
US16/315,483 US20190260084A1 (en) | 2016-07-05 | 2017-06-06 | Rechargeable electrochemical lithium ion cell |
PCT/GR2017/000030 WO2018007837A2 (en) | 2016-07-05 | 2017-06-06 | Rechargeable electrochemical lithium ion cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GR20160100371A GR20160100371A (el) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
GR20160100371A true GR20160100371A (el) | 2018-03-30 |
Family
ID=60627961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
GR20160100371A GR20160100371A (el) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20190260084A1 (el) |
EP (1) | EP3482446A2 (el) |
KR (1) | KR20190025994A (el) |
CA (1) | CA3029907A1 (el) |
GR (1) | GR20160100371A (el) |
WO (1) | WO2018007837A2 (el) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102380225B1 (ko) | 2019-03-06 | 2022-03-28 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 화염의 외부 노출을 방지할 수 있는 구조를 갖는 ess 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150024283A1 (en) * | 2012-04-11 | 2015-01-22 | Panasonic Corporation | Non-aqueous electrolyte for secondary batteries, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
US20160172709A1 (en) * | 2013-07-23 | 2016-06-16 | Basf Se | Oxiranyl ester derivatives as additive for electrolytes in lithium ion batteries |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2787243B1 (fr) | 1998-12-10 | 2003-10-03 | Cit Alcatel | Generateur electrochimique rechargeable au lithium utilisable a basse temperature |
FR2879826B1 (fr) | 2004-12-17 | 2007-01-26 | Accumulateurs Fixes | Accumulateur au lithium fonctionnant a tres basse temperature |
JP5349324B2 (ja) * | 2006-12-21 | 2013-11-20 | エルジー・ケム・リミテッド | ゲルポリマー電解質用組成物及びこれから製造されたゲルポリマー電解質とこれを含む電気化学素子 |
US8715865B2 (en) * | 2007-07-11 | 2014-05-06 | Basf Corporation | Non-aqueous electrolytic solutions and electrochemical cells comprising the same |
US8920981B2 (en) | 2008-04-08 | 2014-12-30 | California Institute Of Technology | Lithium ion electrolytes and lithium ion cells with good low temperature performance |
WO2011031401A2 (en) * | 2009-08-28 | 2011-03-17 | Brookhaven Science Associates Llc | Lithium non-fluorinated and fluorinated phenyl trifluoro borate salts for non-aqueous battery electrolytes |
WO2016086182A2 (en) * | 2014-11-26 | 2016-06-02 | Johnson Controls Technology Company | Lithium ion electrolytes with lifsi for improved wide operating temperature range |
-
2016
- 2016-07-05 GR GR20160100371A patent/GR20160100371A/el unknown
-
2017
- 2017-06-06 EP EP17811367.6A patent/EP3482446A2/en not_active Withdrawn
- 2017-06-06 US US16/315,483 patent/US20190260084A1/en not_active Abandoned
- 2017-06-06 KR KR1020197003509A patent/KR20190025994A/ko not_active Application Discontinuation
- 2017-06-06 CA CA3029907A patent/CA3029907A1/en not_active Abandoned
- 2017-06-06 WO PCT/GR2017/000030 patent/WO2018007837A2/en unknown
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150024283A1 (en) * | 2012-04-11 | 2015-01-22 | Panasonic Corporation | Non-aqueous electrolyte for secondary batteries, and non-aqueous electrolyte secondary battery |
US20160172709A1 (en) * | 2013-07-23 | 2016-06-16 | Basf Se | Oxiranyl ester derivatives as additive for electrolytes in lithium ion batteries |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP3482446A2 (en) | 2019-05-15 |
WO2018007837A3 (en) | 2018-04-05 |
KR20190025994A (ko) | 2019-03-12 |
US20190260084A1 (en) | 2019-08-22 |
CA3029907A1 (en) | 2018-01-11 |
WO2018007837A2 (en) | 2018-01-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102339980B (zh) | 正极和包括该正极的锂电池 | |
KR101937898B1 (ko) | 비수 전해액 첨가제, 이를 포함하는 비수전해액 및 이를 구비한 리튬 이차전지 | |
JP2021536112A (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
US20040043295A1 (en) | Rechargeable composite polymer battery | |
KR20170058041A (ko) | 리튬 이차전지용 비수성 전해액 및 리튬 이차전지 | |
WO2021004354A1 (zh) | 锂离子二次电池及其相关的制备方法、电池模块、电池包和装置 | |
JP5641593B2 (ja) | リチウムイオン電池 | |
KR20150050503A (ko) | 전극-분리막 복합체의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 전극-분리막 복합체 및 그를 포함하는 리튬 이차전지 | |
KR20150032014A (ko) | 실리콘계 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 | |
KR20170052493A (ko) | 비수 전해액 첨가제, 이를 포함하는 비수전해액 및 이를 구비한 리튬 이차전지 | |
CN103367807A (zh) | 非水电解质溶液以及锂离子二次电池 | |
JP2016048624A (ja) | リチウム二次電池 | |
JP2021534555A (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
KR20150075495A (ko) | 리튬 이차전지용 전해액 및 이를 구비하는 리튬 이차전지 | |
KR101356393B1 (ko) | 리튬-황 전지용 양극 및 이를 포함하는 리튬-황 전지 | |
CN104508891A (zh) | 非水电解质二次电池 | |
KR101499684B1 (ko) | 이차전지용 비수성 전해액 및 이를 포함하는 이차전지 | |
US20200343581A1 (en) | Electrolyte solution for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery | |
KR20240019317A (ko) | 극판, 리튬 이온 배터리, 배터리 모듈, 배터리팩 및 전기 장치 | |
WO2023133798A1 (zh) | 一种用于锂离子二次电池的正极复合材料、正极和电池 | |
GR20160100371A (el) | Επαναφορτιζομενο ηλεκτροχημικο κελι ιοντων λιθιου | |
JP2023550220A (ja) | 電解液、二次電池及び電力消費装置 | |
CN110797573A (zh) | 锂二次电池 | |
KR20160018155A (ko) | 이차전지 전해액 및 이를 함유하는 이차전지 | |
JP6589386B2 (ja) | 蓄電素子 |