JP2021517714A - 1,2,6−オキソジチアン−2,2,6,6−テトラオキシドを含む二添加剤電解質システムに基づく新規な電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
を有する1,2,6−オキソジチアン−2,2,6,6−テトラオキシドの第2の作動型添加剤を含む混合物と、を含むリチウムイオン電池用非水性電解質である。
を有する1,2,6−オキソジチアン−2,2,6,6−テトラオキシドの第2の作動型添加剤との添加剤混合物を含む非水性電解質と、を備えるリチウムイオン電池である。
電池システム自体は、本開示に従って別々にパッケージされてもよいが、実験構成は、通常、機械で作られた「密閉セル」を使用して、一般的な構成を使用する、二添加剤電解質システム及び正極及び負極に使用するための特定の材料を含む電池システムを系統的に評価する。本開示内で言及される全てのパーセントは、特に指定されない限り、重量パーセントである。当業者は、使用される添加剤の種類及び採用される濃度が、最も望ましく改善される特性、並びに作製されるリチウムイオン電池で使用される他のコンポーネント及び設計に依存し、この開示から明らかであることを理解する。
実験構成で使用されたNMC/黒鉛密閉セルは、添加剤を加えた溶媒中に1M LiPF6を含んでいた。電解質は、30%EC及び70%EMC中に1M LiPF6からなった。電解質成分の濃度は、MA及び/又はDMCを含むように修正することができる。この電解質に、添加剤成分を指定される重量パーセントで添加した。
異なるタイプのセルにおける様々な電解質組成物のパッシベーション効果を図4A〜図4Eに示す。図4A〜図4Eのデータからわかるように、ODTOは、5つの異なるタイプのセルにおいて同様のパッシベーション効果の影響を示す。第1及び第2のセル(図4A〜図4B)では、コーティングされていないNMC532正極(図4A)及び人造黒鉛電極を備えるセル、並びにコーティングしたNMC532正極(図4B)及び人造黒鉛電極を備えるセルにおけるエチレンカーボネート(EC);エチルメチルカーボネート(EMC)(対照)、2%VC、1%ODTO、3%ODTO、5%ODTO、2%VC+1%ODTO、2%FEC+1%ODTO、及び1%LFO+1%ODTOのパッシベーション効果の比較を示す。第3及び第4のセル(図4C〜図4D)では、Al2O3コーティングNMC622/人造黒鉛電極を備えたセル(図4C)及びAFOコーティングNMC622電極を備えたセル(図4D)における2%VC、1%LFO+1%ODTO、2%FEC+1%ODTO、2%VC+1%ODTO、1%ODTO、3%ODTO及び5%ODTOのパッシベーション効果を示す。そして、第5のセル(図4E)では、EC:EMC:DMC、2%VC、2%VC+1%ODTO、2%VC+3%ODTOのパッシベーション効果を示す。およそ2.3Vのピークは、1%ODTOが存在する場合のODTOの減少に対応する(パッシベーションピーク)。1%ODTO添加剤の効果は、Al2O3コーティングされたNMC622正極、AFOコーティングされたNMC622正極、及び電池セルに見られる電極のそれぞれのデータに関する図4C〜図4Eの同様のピークによって実証されるように、使用される正極のタイプに依存しない。
本明細書に開示される二添加剤電解質システム及び新規の電池システムは、低いセルインピーダンスを有する。セルインピーダンスはセルのエネルギー効率を低下させるため、セルインピーダンスを最小限に抑えることが望ましい。逆に、インピーダンスが低いと、可能な充電率が高くなり、エネルギー効率が高くなる。
化成プロセスは、セルが電気自動車等の自動車におけるグリッド蓄電又は畜エネルギー等のそれらの意図された用途で使用される前に行われる。化成中、セルは正確に制御された充放電サイクルに供され、これは、それらを意図された用途で使用するために電極及び電解質を活性化することを目的としている。化成中にガスが生成される。(セルによって許容される特定の耐性及びセルのパッケージングに応じて)十分な量のガスが生成される場合、化成プロセスの後、用途で使用する前にガスを放出する必要がある場合がある。これには通常、密閉を破った後に再封止するという追加の工程が必要である。これらの工程は多くの電池システムで一般的であるが、可能であればガスの産生が少ないシステムを選択することによって、これらの工程を取り除くことが望ましい。
化成後、C/10に対応する電流でセルを2回に亘り3Vまで放電し、4.4Vまで充電した。次いで、セルを4.4Vで24時間保持し、その後60℃の蓄電ボックスに移した。開路電圧を、500時間の間、6時間ごとに自動的に記録した。図8A及び図8Bは、2VC+1ODTOを組み込んだセルがこれらの条件下で最小の自己放電量を示したことを示す。
作動型電解質添加剤及び電極を含む、本開示の電池システムの有効性を研究するため、超高精度サイクリング(UHPC:ultrahigh precision cycling)を行った。標準UHPC手順は、C/20に対応する電流を使用して、40℃にて3.0V〜4.3Vでセルを15サイクルに亘ってサイクリングしてデータを生成することからなった。クーロン効率の場合、クーロン効率、充電エンドポイント容量のずれ、及びその他のパラメータを30ppmの精度まで測定するためUPHCを用いる。UHPC手順の詳細は、その全体が本明細書に組み込まれる、T.M.Bond,J.C.Burns,D.A.Stevens,H.M.Dahn,and J.R.Dahn,Journal of the Electrochemical Society,160,A521(2013)に記載されている。
電池システムの寿命は電池システムの重要な特性である。充電及び放電の速度は寿命に影響を与える場合がある。長期サイクリング実験は、予想される動作条件下での回復力のある電池システムの経時変化を判断するのに役立つ。所望の用途に十分な寿命を持つ電池システムを選択することが重要である。
微少熱量測定
14.0Vまで充電、3.9Vまで放電、繰り返し
2.4.1Vまで充電、3.9Vまで放電(繰り返し)
3.4.2Vまで充電、3.9Vまで放電(繰り返し)
6.4.0Vまで充電、3.9Vまで放電(繰り返し)
Claims (36)
- 前記第1の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜6重量%の範囲である、請求項1に記載の非水性電解質。
- 前記第2の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜5重量%の範囲である、請求項1に記載の非水性電解質。
- 前記第1の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%であり、前記第2の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%である、請求項1に記載の非水性電解質。
- 前記第1の作動型添加剤がフルオロエチレンカーボネートである、請求項4に記載の非水性電解質。
- 前記第1の作動型添加剤がビニレンカーボネートである、請求項4に記載の非水性電解質。
- 前記第1の作動型添加剤がLiPO2F2である、請求項4に記載の非水性電解質。
- 前記非水性溶媒がカーボネート溶媒である、請求項1に記載の非水性電解質。
- 前記非水性溶媒が、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選択される少なくとも1つである、請求項8に記載の非水性電解質。
- 第2の非水性溶媒を更に含む、請求項8に記載の非水性電解質。
- 前記第1の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜6重量%の範囲である、請求項11に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第2の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜5重量%の範囲である、請求項11に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%であり、前記第2の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%である、請求項11に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の作動型添加剤がフルオロエチレンカーボネートである、請求項14に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の作動型添加剤がビニレンカーボネートである、請求項14に記載のリチウムイオン電池。
- 前記第1の作動型添加剤がLiPO2F2である、請求項14に記載のリチウムイオン電池。
- 前記非水性溶媒がカーボネート溶媒である、請求項11に記載のリチウムイオン電池。
- 前記非水性溶媒が、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選択される、請求項18に記載のリチウムイオン電池。
- 第2の非水性溶媒を更に含む、請求項18に記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池で産生されるガスの容量が、第1の作動型添加剤のみを含むリチウムイオン電池で産生されるガスの容量に匹敵する、請求項14に記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池が、40℃でC/3CCCVの充電率で3.0V〜4.3Vの200サイクル後に初期容量の少なくとも95%維持率を有する、請求項21に記載のリチウムイオン電池。
- 前記リチウムイオン電池が、40℃でC/3CCCVの充電率で3.0Vと4.3Vとの間の800サイクル後に初期容量の少なくとも95%維持率を有する、請求項21に記載のリチウムイオン電池。
- 充電式バッテリーを搭載した電気自動車であって、
駆動モータと、
ギアボックスと、
エレクトロニクスと、
請求項11に記載のリチウムイオン電池と、を備える電気自動車。 - 前記第1の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜6重量%の範囲である、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記第2の作動型添加剤の濃度が、0.25重量%〜5重量%の範囲である、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記第1の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%であり、前記第2の作動型添加剤の濃度が少なくとも1重量%である、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記第1の作動型添加剤がフルオロエチレンカーボネートである、請求項27に記載の電気自動車。
- 前記第1の作動型添加剤がビニレンカーボネートである、請求項27に記載の電気自動車。
- 前記第1の作動型添加剤がLiPO2F2である、請求項27に記載の電気自動車。
- 前記非水性溶媒がカーボネート溶媒である、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記非水性溶媒が、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選択される少なくとも1つである、請求項31に記載の電気自動車。
- 前記リチウムイオン電池が、第2の非水性溶媒を更に含む、請求項32に記載の電気自動車。
- 前記電池システムで産生されるガスの容量が、第1の作動型添加剤のみを含む電池システムで産生されるガスの容量に匹敵する、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記電池システムが、40℃でC/3CCCVの充電率で3.0V〜4.3Vの200サイクル後に初期容量の少なくとも95%維持率を有する、請求項24に記載の電気自動車。
- 前記電池システムが、40℃でC/3CCCVの充電率で3.0V〜4.3Vの800サイクル後に初期容量の少なくとも95%維持率を有する、請求項31に記載の電気自動車。
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