JP2023062096A - Novel battery system based on lithium difluorophosphate - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、充電式電池システムに関し、より具体的には、充電式リチウムイオン電池システムの特性を改善するための有効電解質添加剤および電極を含む、このようなシステムの化学的性質に関する。 The present disclosure relates to rechargeable battery systems and, more particularly, to the chemistries of such systems, including active electrolyte additives and electrodes for improving the properties of rechargeable lithium-ion battery systems.
充電式電池は、電気自動車およびグリッド貯蔵用のエネルギー貯蔵システムの不可欠な構成要素である(たとえば、マイクログリッドの一部として、停電中のバックアップ電力用など)。Liイオンベースの電池は、一般的なタイプの充電式電池である。 Rechargeable batteries are an integral component of energy storage systems for electric vehicles and grid storage (eg, as part of microgrids, for backup power during power outages, etc.). Li-ion based batteries are a common type of rechargeable battery.
電解質添加剤は、有効であり、Liイオンベースの電池の寿命および性能を向上させることが示されている。たとえば、非特許文献1では、所有権のある開示されていない5つの電解質添加剤は、添加剤が1つのみまたは含まれない電解質と比較して、サイクル寿命を延ばすことが示されている。他の研究は、特許文献1に記載されるように、3つまたは4つの添加剤を含む電解質システムからの性能利得に焦点を当てている。しかしながら、研究者らは通常、電解質ならびに特定の正極および負極と相乗的に作用できるようにする、異なる添加剤の間の相互作用を理解していない。したがって、特定のシステムの添加剤配合物の組成はしばしば試行錯誤に基づいており、事前に予測することはできない。
Electrolyte additives have been shown to be effective and improve the life and performance of Li-ion based batteries. For example, in
以前の研究は、グリッドまたは自動車用途向けに十分な特性を有する堅牢なシステムを作り出すためにリチウムイオン電池システムに組み込まれることが可能な2添加剤電解質システムを特定していない。特許文献1で論じられるように、研究対象の2添加剤システム(たとえば、2%VC+1%アリルメタンスルホネートおよび2%PES+1%TTSPi)は通常、3または4添加剤電解質システムよりも性能が劣っていた(たとえば、特許文献1の表1および表2を参照)。特許文献1は、堅牢なリチウムイオン電池システムを作成するために、0.25~3wt%の濃度の第三の化合物、多くの場合リン酸トリス(トリメチルシリル)(TTSP)または亜リン酸トリス(トリメチルシリル)(TTSPi)が必要であったことを開示している(たとえば、特許文献1のパラグラフ72を参照)。しかしながら、添加剤は高額で、製造規模でLiイオン電池内に含むのが困難であり得るので、添加剤の少ないものを含む、より単純でありながら効果的な電池システムが必要とされる。 Previous studies have not identified a two-additive electrolyte system that could be incorporated into a lithium-ion battery system to create a robust system with sufficient properties for grid or automotive applications. As discussed in US Pat. No. 5,200,000, two-additive systems studied (e.g., 2% VC + 1% allyl methanesulfonate and 2% PES + 1% TTSPi) typically performed worse than three- or four-additive electrolyte systems. (See, for example, Tables 1 and 2 of Patent Document 1). US Pat. No. 5,300,003 discloses a third compound, often tris(trimethylsilyl) phosphate (TTSP) or tris(trimethylsilyl ) (TTSPi) was necessary (see, for example, paragraph 72 of US Pat. However, since additives can be expensive and difficult to include in Li-ion batteries on a manufacturing scale, simpler yet effective battery systems containing fewer additives are needed.
本開示は、異なるエネルギー貯蔵用途、たとえば車両およびグリッドストレージで使用され得る、より少ない有効電解質添加剤を有する新規な電池システムを対象とする。より具体的には、本開示は、より多くの添加剤に依存する他のシステムよりもコストを削減しながら、Liイオン電池の性能および寿命を向上させる、2添加剤電解質システムを含む。本開示はまた、さらなるシステム強化を提供するために開示された2添加剤電解質システムと協働する、効果的な正極および負極も開示する。 The present disclosure is directed to novel battery systems with less effective electrolyte additives that can be used in different energy storage applications such as vehicles and grid storage. More specifically, the present disclosure includes a two-additive electrolyte system that improves the performance and life of Li-ion batteries while reducing cost over other systems that rely on more additives. The present disclosure also discloses effective positive and negative electrodes that cooperate with the disclosed two-additive electrolyte system to provide further system enhancements.
開示される2有効添加剤電解質システムは、1)1,3,2-ジオキサチオラン-2,2-ジオキシド(DTD、エチレンスルファートとしても知られる)または別の硫黄含有添加剤(メチレンメタンジスルファート、トリメチレンスルファート、3-ヒドロキシプロパンスルホン酸γスルトン、亜硫酸グリコール、または別の硫黄含有添加剤など)と組み合わせたビニレンカーボネート(VC)、2)DTDまたは別の硫黄含有添加剤と組み合わせたフルオロエチレンカーボネート(FEC)、および3)DTDまたは別の硫黄含
有添加剤と組み合わせたプロパ-1-エン-1,3-スルトン(PES)を含む。さらに、VCおよびFECは同様の改善をもたらすので(そして同様に機能すると考えられるので)、VCおよびFECの混合物は、単一の有効電解質と見なされてもよい。つまり、開示される別の2有効添加剤電解質システムは、DTDまたは別の硫黄含有添加剤と組み合わせたVCおよびFECの混合物を含む。より大きい電池システム(電解質、電解質溶媒、正極、および負極を含む)の一部として使用されるとき、これらの2有効添加剤電解質システムは、車両およびグリッド用途を含むエネルギー貯蔵用途に望ましい特性をもたらす。
The disclosed two-effective additive electrolyte system comprises: 1) 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide (DTD, also known as ethylene sulfate) or another sulfur-containing additive (methylene methane disulfate , trimethylene sulfate, 3-hydroxypropanesulfonic acid gamma sultone, glycol sulfite, or another sulfur-containing additive); 2) fluorocarbon in combination with DTD or another sulfur-containing additive; ethylene carbonate (FEC), and 3) prop-1-ene-1,3-sultone (PES) in combination with DTD or another sulfur-containing additive. Furthermore, since VC and FEC provide similar improvements (and are believed to perform similarly), a mixture of VC and FEC may be considered a single effective electrolyte. Thus, another disclosed two-effective additive electrolyte system includes a mixture of VC and FEC in combination with DTD or another sulfur-containing additive. When used as part of a larger battery system (including electrolyte, electrolyte solvent, positive electrode, and negative electrode), these dual additive electrolyte systems provide desirable properties for energy storage applications, including vehicle and grid applications. .
より具体的には、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物(NMC)正極、黒鉛負極、酢酸メチル(MA)を含み得る有機または非水性溶媒に溶解したリチウム塩、および異なる用途に望ましい特性を有する電池システムを形成するための2つの添加剤。電解質溶媒は、単体または組み合わせた以下の溶媒であり得る:エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、酢酸メチル、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、別のカーボネート溶媒(環式または非環式)、別の有機溶媒、および/または別の非水性溶媒。溶媒は、添加剤よりも高い濃度、通常は重量で6%を超える濃度で存在する。溶媒は、異なる用途に望ましい特性を有する電池システムを形成するために、開示された2添加剤ペア(VCとDTD、FECとDTD、VCおよびFECの混合物とDTD、または別の組み合わせ)と組み合わせられてもよい。正極は、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)、または別のコーティングなどの材料で被覆されてもよい。さらに、コスト削減として、負極は天然黒鉛から形成されてもよいが、しかし価格構造に応じて、特定の事例では人造黒鉛の方が天然黒鉛よりも安価である。 More specifically, lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) positive electrodes, graphite negative electrodes, lithium salts dissolved in organic or non-aqueous solvents that may include methyl acetate (MA), and battery systems with desirable properties for different applications. Two additives to form. The electrolyte solvent can be the following solvents, alone or in combination: ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl acetate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, another carbonate solvent (cyclic or acyclic formula), another organic solvent, and/or another non-aqueous solvent. The solvent is present at a higher concentration than the additive, usually greater than 6% by weight. Solvents are combined with the two disclosed additive pairs (VC and DTD, FEC and DTD, a mixture of VC and FEC and DTD, or another combination) to form battery systems with desirable properties for different applications. may The positive electrode may be coated with a material such as aluminum oxide ( Al2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), or another coating. Additionally, as a cost savings, the negative electrode may be formed from natural graphite, but depending on the price structure, synthetic graphite is cheaper than natural graphite in certain cases.
本明細書の開示は、2添加剤電解質システムおよび選択された電極の共生的性質を示す実験データによって裏付けられている。例示的な電池システムは、2つの添加剤(たとえば、FEC、VC、またはPESおよびDTDまたは別の硫黄ベースの添加剤)、黒鉛負極(天然に存在する黒鉛または人造の合成黒鉛)、NMC正極、リチウム電解質(たとえば、化学組成LiPF6の六フッ化リン酸リチウムなどのリチウム塩から形成されている)、および有機または非水性溶媒を含む。リチウムイオン電池は、負極と、マイクロメートルスケールの粒子を有するNMCを備える正極と、第1の非水性溶媒に溶解したリチウムイオン、およびフルオロエチレンカーボネートまたはビニレンカーボネートのいずれかの第1の有効添加剤および1,3,2-ジオキサチオラン-2,2-ジオキシド、別の硫黄含有添加剤、またはジフルオロリン酸リチウムのいずれかの第2の有効添加剤を有する添加剤混合物を備える非水性電解質と、を含み得る。 The disclosure herein is supported by experimental data demonstrating the symbiotic nature of the two-additive electrolyte system and selected electrodes. An exemplary battery system includes two additives (eg, FEC, VC, or PES and DTD or another sulfur-based additive), a graphite anode (naturally occurring graphite or man-made synthetic graphite), an NMC cathode, A lithium electrolyte (eg, formed from a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate of chemical composition LiPF6 ), and an organic or non-aqueous solvent. A lithium ion battery comprises a negative electrode, a positive electrode comprising NMC having micrometer-scale particles, lithium ions dissolved in a first non-aqueous solvent, and a first active additive of either fluoroethylene carbonate or vinylene carbonate and a second active additive of either 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide, another sulfur-containing additive, or lithium difluorophosphate. can contain.
図4A~図4Jは、異なる電解質組成を有する電池システムの超高精度充電実験中に収集した典型的な実験データを示す。 Figures 4A-4J show typical experimental data collected during ultra-precise charging experiments of battery systems with different electrolyte compositions.
図5A~図5Cは、図4に示されるデータの最後の3サイクルの平均を示し、FEC、VC、またはDTDのいずれか1つの添加剤と比較して、FEC+DTDおよびVC+DTDの組み合わせで、1時間あたりより低いクーロン非効率および1時間あたりより低い断片滑り(slippage)を示している。 FIGS. 5A-5C show the average of the last three cycles of the data shown in FIG. It shows lower coulombic inefficiency per hour and lower fragment slippage per hour.
図6A~図6Fは、VCまたはFECを含む電解質システムへの添加剤としてDTDを含むことの利点を示す、40℃、C/3CCCVでの長期サイクリングを研究する、典型的な実験データを示す。 6A-6F show typical experimental data studying long-term cycling at 40° C., C/3CCCV, demonstrating the benefits of including DTD as an additive to electrolyte systems containing VC or FEC.
図7A~図7Fは、VCまたはFECを含む電解質システムへの添加剤としてDTDを含むことの利点を示す、20℃、C/3CCCVでの長期サイクリングを研究する、典型的な実験データを示す。 Figures 7A-7F show typical experimental data studying long-term cycling at C/3CCCV at 20°C, demonstrating the benefits of including DTD as an additive to electrolyte systems containing VC or FEC.
図8A~図8Iは、本開示の特定の実施形態による電解質組成のサイクル実験中に収集した典型的な経験データを示す。 Figures 8A-8I show exemplary empirical data collected during cycling experiments of electrolyte composition according to certain embodiments of the present disclosure.
図9A~図9Dおよび図9F~図9Iは、寿命をあまり犠牲にせずに電解質伝導性を高めて粘度を低下させるためにDTDを有するVCまたはFECを含む電解質システムに酢酸メチルを添加できることを示す、いくつかの超高精度充電実験中に収集した典型的な実験データを示す。伝導性の向上および粘度の低下は、より高い充電速度を要する特定の用途にとって重要である。 Figures 9A-9D and 9F-9I show that methyl acetate can be added to electrolyte systems containing VCs or FECs with DTDs to increase electrolyte conductivity and reduce viscosity without significantly sacrificing lifetime. , showing typical experimental data collected during several ultra-precision charging experiments. Improved conductivity and reduced viscosity are important for certain applications requiring higher charging rates.
図10A~図10Cは、実験データを要約したプロットであり、MA含有量が増加しても、電解質添加剤であるVCおよびFECは、単独でもDTDの存在下でも、依然として許容可能な性能を提供することを示している。 Figures 10A-10C are plots summarizing the experimental data, with increasing MA content, electrolyte additives VC and FEC, both alone and in the presence of DTD, still provided acceptable performance. indicates that
図15A~図15Fは、FECを含む電解質システムの、容量、正規化容量、および電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均充電電圧との差)対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。 15A-15F are plots of experimental data obtained at 20° C. of capacity, normalized capacity, and voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average charge voltage) versus cycle number for electrolyte systems containing FEC. is.
図16A~図16Fは、FECを含む電解質システムの、容量、正規化容量、および電圧ヒステリシスの、40℃で得られた実験データのプロットである。 16A-16F are plots of experimental data obtained at 40° C. of capacity, normalized capacity, and voltage hysteresis for electrolyte systems including FEC.
図17A~図17Fは、FEC、VC、および/またはDTDを含む電解質システムの、容量、正規化容量、および電圧ヒステリシスの実験データのプロットである。 17A-17F are plots of experimental data for capacity, normalized capacity, and voltage hysteresis for electrolyte systems including FEC, VC, and/or DTD.
図35A~図35Dは、NMC532の正極および人造黒鉛の負極を有する電解質シス
テムの実験データを要約している。
Figures 35A-35D summarize experimental data for an electrolyte system with a positive electrode of NMC532 and a negative electrode of artificial graphite.
図37A~図37Fは、LFOを含まない対照と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験貯蔵データを要約している。 Figures 37A-37F summarize experimental storage data for different electrolyte systems containing LFOs compared to controls without LFOs.
図38A~図38Fは、LFOを含まない対照と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験貯蔵データを要約している。 Figures 38A-38F summarize experimental storage data for different electrolyte systems containing LFOs compared to controls without LFOs.
図39A~図39Fは、LFOを含まない対照と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験データを要約している。 Figures 39A-39F summarize experimental data for different electrolyte systems with LFOs compared to controls without LFOs.
図40A~図40Fは、LFOを含まない対照と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験データを要約している。 Figures 40A-40F summarize experimental data for different electrolyte systems with LFOs compared to controls without LFOs.
図43A~図43Dは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの長期サイクリングデータを要約している。 Figures 43A-43D summarize long-term cycling data for different electrolyte systems, including systems containing LFOs.
図44A~図44Dは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの高速充電下での長期サイクリングデータを要約している。 Figures 44A-44D summarize long-term cycling data under fast charging for different electrolyte systems, including systems containing LFOs.
図46A~図46Dは、貯蔵実験中に生成された電圧降下およびインピーダンスデータを要約している。 Figures 46A-46D summarize the voltage drop and impedance data generated during the storage experiments.
図48A~図48Fは、実験的熱流データ対電圧を要約している。図48A、図48C、および図48Eは、4.4Vまでの最初のサイクルの結果を示す。図48B、図48D、および図48Fは、4.4Vまでの第2のサイクルの結果を示す。 Figures 48A-48F summarize experimental heat flow data versus voltage. Figures 48A, 48C, and 48E show the results of the first cycle to 4.4V. Figures 48B, 48D and 48F show the results of the second cycle to 4.4V.
図50A~図50Cは、異なる電解質システムのサイクル数の関数としての実験的な平均寄生熱流データを要約している。 Figures 50A-50C summarize experimental average parasitic heat flow data as a function of cycle number for different electrolyte systems.
図52A~図52Dは、4.2Vまでサイクルした、LFOを含まない対照を含まない対象と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験データを要約している。 Figures 52A-52D summarize experimental data for different electrolyte systems with LFOs compared to controls without LFOs cycled to 4.2V.
図53A~図53Dは、4.3Vまでサイクルした、LFOを含まない対照を含まない対象と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験データを要約している。 Figures 53A-53D summarize experimental data for different electrolyte systems with LFOs compared to controls without LFOs cycled to 4.3V.
図54A~図54Dは、4.4Vまでサイクルした、LFOを含まない対照を含まない対象と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験データを要約している。 Figures 54A-54D summarize experimental data for different electrolyte systems with LFOs compared to controls without LFOs cycled to 4.4V.
図58A~図58Dは、2つの異なるコーティングを有するNMC622から作られた正極を有するLFOを含む電解質システムの実験データを要約している。 Figures 58A-58D summarize experimental data for an electrolyte system containing an LFO with a positive electrode made from NMC622 with two different coatings.
図1は、電池式の電気自動車(電気自動車)100の基本的な構成要素を示している。電気自動車100は、少なくとも1つの駆動モータ(牽引モータ)102Aおよび/または102B、対応する駆動モータ102Aおよび/または102Bに結合された少なくとも1つのギアボックス104Aおよび/または104B、電池セル106、および電子機器108を含む。一般に、電池セル106は、電気自動車100の電子機器に電力供給し、駆動モータ102Aおよび/または102Bを使用して電気自動車100を推進するた
めに、電力を供給する。電気自動車100は、本明細書には記載されていないが当業者に知られている、多数の他の構成要素を含む。図1の電気自動車100の構造は4つの車輪を有するように示されているが、異なる電気自動車は、4つより少ないかまたは多い車輪を有してもよい。さらに、異なるタイプの電気自動車100は、他のタイプの車両の中でもとりわけ、オートバイ、航空機、トラック、ボート、列車のエンジンを含む、本明細書に記載される発明概念を組み込んでもよい。本開示の実施形態を使用して作成された特定の部品は、自動車100で使用されてもよい。
FIG. 1 shows basic components of a battery-powered electric vehicle (electric vehicle) 100 . The
図2は、様々な構成要素を示す、例示的なエネルギー貯蔵システム200の概略図である。エネルギー貯蔵システム200は通常、少なくとも1つのベース202および4つの側壁204(図には2つのみが示されている)を有するモジュール式ハウジングを含む。モジュールハウジングは一般に、収容された電池セル206から電気的に絶縁されている。これは、物理的な分離を通じて、電気絶縁層を通じて、モジュールハウジングとしての絶縁材料の選択を通じて、これらの任意の組み合わせ、またはその他の方法を通じて、行われてもよい。ベース202は、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、別のプラスチック、非導電性複合材料、または絶縁炭素繊維など、金属シートまたは非導電性/電気絶縁材料の上の電気絶縁層であってもよい。側壁204もまた、絶縁層を含むか、またはポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、別のプラスチック、非導電性複合材料、または絶縁炭素繊維など、非導電性または電気絶縁材料で形成されてもよい。1つ以上の相互接続層230が電池セル206の上に配置され、上部プレート210が相互接続層230の上に配置され得る。上部プレート210は、単一のプレートであるか、または複数のプレートで形成されてもよい。
FIG. 2 is a schematic diagram of an exemplary
個々の電池セル106および206はしばしば、リチウムイオンを含有する電解質ならびに正極および負極を有するリチウムイオン電池セルである。図3は、リチウムイオンセル300の概略図を示す。リチウムイオン350は、容器360内の電解質320全体に分散している。容器360は電池セルの一部であり得る。リチウムイオン350は、正極330と負極340との間を移動する。セパレータ370は、負極と正極とを分離する。回路310は、負極と正極とを接続する。
The
本発明者らによる新しい研究により、グリッドおよび電気自動車用途で使用するための新規な電解質および電池システムを特定した。これらのシステムは、1)1,3,2-ジオキサチオラン-2,2-ジオキシド(DTD、エチレンスルファートとしても知られる)または別の硫黄含有添加剤と組み合わせたビニレンカーボネート(VC)、2)DTDまたは別の硫黄含有添加剤と組み合わせたフルオロエチレンカーボネート(FEC)、および3)DTDまたは別の硫黄含有添加剤と組み合わせたプロパ-1-エン-1,3-スルトン(PES)を含む、溶媒および電極と組み合わせた2添加剤電解質システムに基づいている。これらの2添加剤電解質システムは、組成LNixMnyCozO2(一般にNMCまたはNMCxyzと略され、x、y、zはそれぞれニッケル、マンガン、およびコバルトのモル比である)を有するリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物から作られた正極と対になっている。特定の実施形態では、正極は、NMC111、NMC532、NMC811、またはNMC622で形成される。特定の実施形態では、連続した結晶格子(または粒子)のマイクロメートルサイズの領域を有する電極をもたらす、単結晶のマイクロメートル側微粒子で形成されたNMC532正極は、部分的には材料および処理条件により、従来の材料および処理条件を使用するよりも大きい粒径になるため、特に堅牢であるように示されている。 New research by the inventors has identified novel electrolytes and battery systems for use in grid and electric vehicle applications. These systems include 1) 1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide (DTD, also known as ethylene sulfate) or vinylene carbonate (VC) in combination with another sulfur-containing additive, 2) DTD or fluoroethylene carbonate (FEC) in combination with another sulfur-containing additive, and 3) prop-1-ene-1,3-sultone (PES) in combination with DTD or another sulfur-containing additive, and It is based on a two-additive electrolyte system combined with electrodes. These two-additive electrolyte systems are lithium-nickel electrolytes having the composition LNixMnyCozO2 (commonly abbreviated as NMC or NMCxyz, where x, y , z are the molar ratios of nickel , manganese , and cobalt, respectively). It is paired with a positive electrode made from manganese cobalt oxide. In certain embodiments, the positive electrode is formed of NMC111, NMC532, NMC811, or NMC622. In certain embodiments, the NMC532 positive electrode formed of single-crystal, micrometer-sized particles, which results in an electrode having micrometer-sized regions of continuous crystal lattice (or particles), depends in part on materials and processing conditions. , have been shown to be particularly robust due to larger particle sizes than using conventional materials and processing conditions.
典型的な処理条件は、より大きいマイクロメートルサイズの凝集体にナノメートルサイズの微粒子が詰め込まれたNMC電極をもたらし、ナノメートルスケールの粒界を形成する。粒界は、望ましい特性(たとえば、電気的特性)を低下させる傾向がある欠陥である
ので、通常は、粒子の数を減少させ、粒径を大きくすることが望ましい。処理により、マイクロメートルサイズスケールの、より大きい領域を作成し、これによりNMC電極内の粒界の数を低減し、電気的特性を向上させる。特性の向上は、より堅牢な電池システムをもたらす。特定の実施形態では、より大きい領域サイズ(マイクロメートルサイズスケール以上)を作成するために、別のNMC電極が処理されてもよく、たとえばより堅牢なシステムを作成するために、NMC111、NMC811、NMC622、または別のNMC化合物が処理されてもよい。
Typical processing conditions result in NMC electrodes packed with nanometer-sized particles in larger micrometer-sized agglomerates, forming nanometer-scale grain boundaries. Since grain boundaries are defects that tend to degrade desirable properties (eg, electrical properties), it is usually desirable to reduce the number of grains and increase the grain size. The treatment creates larger areas on the micrometer size scale, which reduces the number of grain boundaries in the NMC electrode and improves electrical properties. Improved performance results in a more robust battery system. In certain embodiments, separate NMC electrodes may be processed to create larger area sizes (micrometer size scale and above), e.g., NMC111, NMC811, NMC622, to create a more robust system. , or another NMC compound may be treated.
正極は、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)、または別のコーティングなどの材料で被覆されてもよい。正極を被覆することは、システムを劣化させる可能性のある、寄生反応、熱乱用、または別の現象など、正極における界面現象を低減するのに役立ち得るので、有利である。負極は、天然黒鉛、人造黒鉛、または別の材料から作られてもよい。 The positive electrode may be coated with a material such as aluminum oxide ( Al2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), or another coating. Coating the positive electrode is advantageous because it can help reduce interfacial phenomena at the positive electrode, such as parasitic reactions, thermal abuse, or other phenomena that can degrade the system. The negative electrode may be made from natural graphite, synthetic graphite, or another material.
電解質は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、酢酸メチル、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、別のカーボネート溶媒(環式または非環式)、別の有機溶媒、および/または別の非水性溶媒を含む、有機または非水性溶媒の組み合わせに溶解したリチウム塩(LiPF6など)であってもよい。溶媒は、添加剤よりも高い濃度、通常は重量で6%を超える濃度で存在する。実験データは、ECおよびEMC(MAありまたはなし)を含む電解質溶媒を使用して生成されたが、これらの溶媒は、他の非水性溶媒に対する、特に他のカーボネート溶媒の単なる例である。添加剤、電極、および溶媒としてのMAの添加の効果を理解するためにテストしたシステムを制御するための実験において、ECおよびEMC溶媒を使用した。したがって、電解質システムは、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、別のカーボネート溶媒(環式または非環式)、別の有機溶媒、および/または別の非水性溶媒を含む、他のカーボネート溶媒および/または他の非カーボネート溶媒を使用してもよい。溶媒は、添加剤よりも高い濃度、通常は重量で6%を超える濃度で存在する。 Electrolytes include ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl acetate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, another carbonate solvent (cyclic or acyclic), another organic solvent, and/or another non-aqueous solvent. , a lithium salt (such as LiPF6 ) dissolved in a combination of organic or non-aqueous solvents. The solvent is present at a higher concentration than the additive, usually greater than 6% by weight. Experimental data were generated using electrolyte solvents including EC and EMC (with or without MA), but these solvents are merely examples of other non-aqueous solvents, particularly other carbonate solvents. EC and EMC solvents were used in experiments to control the systems tested to understand the effects of adding MA as additive, electrode, and solvent. Accordingly, the electrolyte system includes propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, another carbonate solvent (cyclic or acyclic), another organic solvent, and/or another non-aqueous solvent. , other carbonate solvents and/or other non-carbonate solvents may be used. The solvent is present at a higher concentration than the additive, usually greater than 6% by weight.
2添加剤混合物FECおよびDTDでは、FECの濃度は優先的に0.5から6重量%の間であり、DTDの濃度は優先的に0.25から5重量%の間である。2添加剤混合物VCおよびDTDでは、VCの濃度は優先的に0.5から6重量%の間であり、DTDの濃度は優先的に0.25から5重量%の間である。 In the two-additive mixture FEC and DTD, the concentration of FEC is preferentially between 0.5 and 6% by weight and the concentration of DTD is preferentially between 0.25 and 5% by weight. In the two-additive mixture VC and DTD, the concentration of VC is preferentially between 0.5 and 6% by weight and the concentration of DTD is preferentially between 0.25 and 5% by weight.
これらの新しい電池システムの一部は、充電および放電速度、ならびに急速に充電および放電するときの寿命が重要な、エネルギー貯蔵用途および自動車用途(電気自動車内のエネルギー貯蔵を含む)においても使用され得る。具体的には、MAは、より高い電流率で充電および放電するときの寿命を延ばすために電解質溶媒として使用され得る。
[実験前のセットアップ]
電池システム自体は本開示にしたがって異なるようにパッケージされてもよいが、実験セットアップは通常、2添加剤電解質システムならびに正極および負極を使用するための特定の材料を含む、通常のセットアップを使用する電池システムを体系的に評価するために機械で作られた「パウチセル」を使用した。本開示内で言及される全てのパーセンテージは、別途指定されない限り、重量パーセンテージである。使用される添加剤のタイプおよび採用される濃度は、もっとも望ましく改善される特性、ならびに作成されるリチウムイオン電池内で使用されるその他の構成要素および設計に依存し、本開示とは別であることを、当業者は理解するだろう。
Some of these new battery systems may also be used in energy storage and automotive applications (including energy storage in electric vehicles) where charge and discharge rates and longevity when rapidly charging and discharging are critical. . Specifically, MA can be used as an electrolyte solvent to extend life when charging and discharging at higher current rates.
[Pre-experiment setup]
Although the battery system itself may be differently packaged according to the present disclosure, the experimental setup is typically a battery using the usual set-up, including a two-additive electrolyte system and specific materials for the positive and negative electrodes. A machined "pouch cell" was used to systematically evaluate the system. All percentages referred to within this disclosure are weight percentages unless otherwise specified. The type of additive used and the concentration employed will depend on the properties to be most desirably improved, as well as the other components and designs used within the lithium-ion battery being made, and is separate from this disclosure. Those skilled in the art will understand that.
[パウチセル]
実験セットアップで使用されるパウチセルは、添加剤が添加された溶媒中に1MのLi
PF6を含有する。酢酸メチルの濃度(0、20、または40%)に応じて、電解質は、(1)30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6、(2)24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中の1.2MのLiPF6、または(3)18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中の1.2MのLiPF6中の、1MのLiPF6からなる。この電解質に対して、指定された重量パーセンテージで添加剤成分を添加した。
[Pouch cell]
The pouch cells used in the experimental set-up are 1 M Li
Contains PF6 . Depending on the concentration of methyl acetate (0, 20, or 40%), the electrolyte is (1) 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate, (2) 24% ethylene carbonate, 1.2 M LiPF6 in 56% ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate, or (3) 1.2 M LiPF6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate. , 1M of LiPF6 . Additive components were added to the electrolyte at the specified weight percentages.
パウチセルは、別途指定されない限り、マイクロメートルサイズの粒子を有するNMC532(単結晶NMC532と呼ばれることもある)で作られた正極と、人造黒鉛で作られた負極とを使用した。特定の電池システムをテストするために、標準的なNMC532(マイクロメートルサイズの粒子を有するNMCよりも小さい粒子を有する)およびNMC622を含む別の正極、ならびに負極(天然黒鉛を含む)を使用した。 The pouch cells used positive electrodes made of NMC532 with micrometer-sized particles (sometimes referred to as monocrystalline NMC532) and negative electrodes made of synthetic graphite, unless otherwise specified. Another positive electrode, including standard NMC532 (which has smaller particles than NMC, which has micrometer-sized particles) and NMC622, and a negative electrode (including natural graphite), were used to test a particular battery system.
電解質充填の前に、パウチセルをヒートシールの下で切り開き、いかなる残留水も除去するために12時間にわたって真空下において100℃で乾燥させた。次に、充填および真空密閉のためにセルを直ちにアルゴン充填グローブボックスに搬送し、次いで電解質で満たした。充填後、セルを真空密閉した。 Prior to electrolyte filling, the pouch cells were cut open under a heat seal and dried at 100° C. under vacuum for 12 hours to remove any residual water. The cell was then immediately transported to an argon-filled glovebox for filling and vacuum sealing and then filled with electrolyte. After filling, the cell was vacuum sealed.
密閉後、40.0±0.1℃の温度ボックス内にパウチセルを載置し、ウェッティングを完了させるために1.5Vで24時間保持した。次に、パウチセルに形成プロセスを施した。別途指定されない限り、形成プロセスは、パウチセルを11mA(C/20)で4.2Vまで充電し、3.8Vまで放電することからなる。C/xは、セルがその初期容量を有するとき、選択された電流でセルを充電または放電するための時間がx時間であることを示す。たとえば、C/20は、充電または放電が20時間かかることを示す。形成後、セルを搬送してグローブボックス内に移動させ、あらゆる形成ガスを放出するために切り開き、再度真空密閉して、適切な実験を行った。 After sealing, the pouch cells were placed in a temperature box at 40.0±0.1° C. and held at 1.5 V for 24 hours to complete wetting. The pouch cells were then subjected to a forming process. Unless otherwise specified, the forming process consisted of charging the pouch cell at 11 mA (C/20) to 4.2V and discharging to 3.8V. C/x indicates that the time to charge or discharge a cell at the selected current is x hours when the cell has its initial capacity. For example, C/20 indicates that charging or discharging takes 20 hours. After formation, the cell was transported and moved into a glove box, cut open to release any forming gas, vacuum sealed again, and the appropriate experiments performed.
[電気化学インピーダンス分光法]
貯蔵および形成後に、パウチセルに対して電気化学インピーダンス分光法(EIS)測定を行った。セルを3.8Vまで充電または放電し、次いで10.0±0.1℃に設定された温度ボックスに搬送した。10.0±0.1℃で10mVの信号振幅で、100kHzから10mHzまで、デケードあたり10点の分解能でACインピーダンススペクトルを収集した。
[Electrochemical Impedance Spectroscopy]
After storage and formation, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements were performed on the pouch cells. The cells were charged or discharged to 3.8V and then transported to a temperature box set at 10.0±0.1°C. AC impedance spectra were collected at 10.0±0.1° C. with a signal amplitude of 10 mV, from 100 kHz to 10 mHz with a resolution of 10 points per decade.
インピーダンスに対するLFOの影響:特定の実施形態では、LFOは、部分的にシステムのインピーダンスを低下させるために、2つまたは3つの電解質添加剤システムに含まれる。図35A~図35Dは、ほとんどの場合、LiPO2F2(LFO、またはジフルオロリン酸リチウム)は形成後にセルインピーダンスを低下させることを示している。しかしながら、LFOが2%PES+1%DTD+1%TTSPi(まとめてPES211)と共に含まれるとき、インピーダンスの上昇が観察される。正極は単結晶NMC532であり、負極は人造黒鉛である。 Effect of LFO on Impedance: In certain embodiments, an LFO is included in the two or three electrolyte additive system to partially lower the impedance of the system. Figures 35A-35D show that in most cases LiPO2F2 ( LFO , or lithium difluorophosphate) lowers the cell impedance after formation. However, an increase in impedance is observed when the LFO is included with 2% PES + 1% DTD + 1% TTSPi (collectively PES211). The positive electrode is single crystal NMC532 and the negative electrode is artificial graphite.
図35A~図35Dは、NMC111の正極および人造黒鉛の負極を有する電解質システムの実験データを要約している。形成後、10℃および3.8Vでパウチセルを測定した。図35A~図35Dの対照(control)電解質は、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.0MのLiPF6である。図35Aは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート(対照電解質)中の1.0MのLiPF6;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6;対照電解質+1%LiPO2F2;対照電解質+2%
LiPO2F2;および20%酢酸メチル+1%LiPO2F2について、インピーダンスの実数部に対するインピーダンスの虚数部の負数をプロットして、実験インピーダンスデータを要約している。図35Bは、対照電解質(図35Aと同じ対照)、2%VC、2%VC+1%LiPO2F2;20%MA+1%LiPO2F2+2%VC;PES211;およびPES211+1%LiPO2F2について、インピーダンスの実数部に対するインピーダンスの虚数部の負数をプロットして、実験インピーダンスデータを要約している。図35Cは、対照電解質(図35Aと同じ対照)、2%FEC、2%FEC+1%LiPO2F2;1%DTD;および1%DTD+1%LiPO2F2について、インピーダンスの実数部に対するインピーダンスの虚数部の負数をプロットして、実験インピーダンスデータを要約している。図35Dは、対照電解質(図35Aと同じ対照);30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6;1%LiPO2F2;2%LiPO2F2;20%MA+1%LiPO2F2;2%VC;2%VC+1%LiPO2F2;20%MA+1%LiPO2F2+2%VC;PES211;PES211+1%LiPO2F2;2%FEC、2%FEC+1%LiPO2F2;1%DTD;および1%DTD+1%LiPO2F2の実験インピーダンスデータを要約している。
Figures 35A-35D summarize experimental data for an electrolyte system with a positive electrode of NMC111 and a negative electrode of artificial graphite. After formation, the pouch cells were measured at 10°C and 3.8V. The control electrolyte for FIGS. 35A-35D is 1.0 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate. Figure 35A is 1.0 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate (control electrolyte); 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; LiPO2F2 ; control
Experimental impedance data are summarized by plotting the negative of the imaginary part of impedance against the real part of impedance for LiPO 2 F 2 ; and 20% methyl acetate + 1% LiPO 2 F 2 . Figure 35B shows for the control electrolytes (same control as Figure 35A), 2% VC, 2% VC + 1% LiPO2F2 ; 20% MA + 1% LiPO2F2 + 2 % VC ; PES211; Plotting the negative of the imaginary part of impedance against the real part of impedance summarizes the experimental impedance data. FIG. 35C shows the imaginary part of the impedance versus the real part of the impedance for the control electrolyte (same control as in FIG. 35A), 2% FEC, 2% FEC + 1% LiPO2F2 ; 1% DTD ; and 1% DTD + 1 % LiPO2F2. The negative part is plotted to summarize the experimental impedance data. Figure 35D is a control electrolyte ( same control as Figure 35A); 1.2M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1% LiPO2F2 ; 2 % LiPO2F2 ; % LiPO2F2 ;2 % VC;2%VC+1% LiPO2F2 ;20%MA+1% LiPO2F2 +2%VC;PES211; PES211 +1% LiPO2F2 ;2 % FEC, 2% FEC +1% LiPO2 1% DTD; and 1% DTD+1% LiPO 2 F 2 experimental impedance data are summarized.
図35A~図35Dに見られるように、ほとんどのシステムにLFOを添加するとインピーダンスが低下する。しかしながら、PES211が存在するとき、LFOを添加するとインピーダンスが上昇する。 As can be seen in Figures 35A-35D, adding an LFO to most systems lowers the impedance. However, when the PES 211 is present, the addition of the LFO raises the impedance.
図36は、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6の電解質溶液中に2%VC;1%LiPO2F2+2%VC;1%LiPO2F2+2%FEC;および1%LiPO2F2+1%VC+1%FECの添加剤を含有する電解質システムの実験EISデータを要約している。3.8Vおよび10℃で、形成後にEIS測定値を取った。正極は単結晶NMC532であり、負極は人造黒鉛である。
Figure 36
LFOは、NMC532正極および人造黒鉛負極を有するテストしたシステムのインピーダンスを低下させなかった。インピーダンスを低下させなかったのは、カソードまたはアノードの表面が大きいためかも知れない。しかしながら、LFOもまたインピーダンスを上昇させなかった。したがって、LFOを添加しても、インピーダンスは低下しないか、またはニュートラルである。 The LFO did not lower the impedance of the tested system with NMC532 positive and artificial graphite negative electrodes. The large cathode or anode surface may have not lowered the impedance. However, the LFO also did not raise the impedance. Therefore, adding an LFO does not lower or neutral the impedance.
[超高精度サイクリングおよび貯蔵実験]
有効電解質添加剤および電極を含む、本開示の電池システムの有効性を研究するために、超高精度サイクリング(UHPC)を行った。標準的なUHPC手順は、データを生成するために15サイクルのC/20に対応する電流を使用して、40℃で2.8から4.3Vの間でセルをサイクルすることからなる。クーロン効率の場合、30ppmの精度までクーロン効率、充電終点容量滑り、およびその他のパラメータを測定するために、UPHCが採用される。UHPC手順の詳細は、参照により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。
[Ultra-precision cycling and storage experiments]
Ultra high precision cycling (UHPC) was performed to study the effectiveness of the battery system of the present disclosure, including effective electrolyte additives and electrodes. A standard UHPC procedure consists of cycling the cell between 2.8 and 4.3 V at 40° C. using a current corresponding to C/20 for 15 cycles to generate the data. For coulombic efficiency, UPHC is employed to measure coulombic efficiency, end-of-charge capacity slip, and other parameters to an accuracy of 30 ppm. Details of the UHPC procedure are described in T.W. M. Bond, J. C. Burns, D.; A. Stevens, H.; M. Dahn, andJ. R. Dahn, Journal of the Electrochemical Society, 160, A521 (2013).
特に対象とするUHPC測定値から測定および/または決定されるメトリックは、以下を含む。クーロン効率、正規化クーロン非効率、正規化充電終点容量滑り、正規化放電容量(またはフェード率)、およびデルタV。クーロン効率は、放電容量(Qd)を前のサイクルの充電容量(Qc)で割ったものである。これは、Liイオンセル内で起こっている寄生反応を追跡し、正極および負極の両方からの貢献を含む。CE値が高いほど、セル
内の電解質の劣化が少ないことを示す。1時間あたりのクーロン非効率(CIE/h)は正規化された(1時間あたり)クーロン非効率であり、ここでクーロン非効率は1-CEとして定義される。これは、1-CEを取得し、CEが測定されたサイクルの時間で割ることによって、計算される。充電終点容量運動(または滑り)は、正極で発生している寄生反応、ならびにもしあれば正材料質量損失も、追跡する。運動は少ない方が良く、電解質酸化の減少に関連している。正規化放電容量、またはフェード率は、別の重要なメトリックであり、フェード率は低い方が望ましく、通常は寿命がより長い電池システムを示す。デルタVは、平均充電電圧と平均放電電圧との差として計算される。デルタVの変化は分極成長と密接に関連しており、サイクリングが行われるときのデルタVの変化は小さい方が好ましい。UHPC測定は、より高い確度および精度でのメトリックの追跡を可能にし、比較的高速で様々な劣化のメカニズムの評価を可能にするので、電解質組成を比較するのに特に適している。
Metrics measured and/or determined from UHPC measurements of particular interest include: Coulombic Efficiency, Normalized Coulombic Inefficiency, Normalized End-of-Charge Capacity Slip, Normalized Discharge Capacity (or Fade Rate), and DeltaV. Coulombic efficiency is the discharge capacity (Q d ) divided by the previous cycle's charge capacity (Q c ). It tracks the parasitic reactions taking place within the Li-ion cell and includes contributions from both the positive and negative electrodes. A higher CE value indicates less degradation of the electrolyte in the cell. Coulombic inefficiency per hour (CIE/h) is the normalized (per hour) coulombic inefficiency, where coulombic inefficiency is defined as 1-CE. This is calculated by taking 1-CE and dividing by the time of the cycle over which CE was measured. The end-of-charge capacity motion (or slip) tracks the parasitic reactions occurring at the positive electrode, as well as the positive material mass loss, if any. Less exercise is better and is associated with less electrolyte oxidation. Normalized discharge capacity, or fade rate, is another important metric, with lower fade rates being desirable and generally indicative of longer life battery systems. DeltaV is calculated as the difference between the average charge voltage and the average discharge voltage. The change in delta-V is closely related to the polarization growth, and the smaller the change in delta-V when cycling is performed, the better. UHPC measurements are particularly well-suited for comparing electrolyte compositions as they allow the tracking of metrics with greater accuracy and precision and permit the evaluation of different degradation mechanisms at relatively high speeds.
添加剤としてFECまたはVCを有する2電解質システム:特定の実施形態では、各添加剤の濃度が約0.25~6%の2添加剤電解質システムは、電池システムの一部を形成する。電池システムはまた、NMC111、NMC532、NMC811、NMC622、または別のNMC組成物(NMCxyz)から作られた正極も含み得る。特定の実施形態では、部分的に、処理条件は、通常の処理条件で作成するよりも大きい粒径を作成したので、マイクロメートルスケールの粒子を有するNMC532から作られた正極は、特に堅牢であるように示されていた。 Two-electrolyte system with FEC or VC as additive: In certain embodiments, a two-additive electrolyte system with a concentration of about 0.25-6% for each additive forms part of the battery system. The battery system may also include a positive electrode made from NMC111, NMC532, NMC811, NMC622, or another NMC composition (NMCxyz). In certain embodiments, positive electrodes made from NMC532 with micrometer-scale particles are particularly robust, in part because the processing conditions created larger grain sizes than do normal processing conditions. was shown as
典型的な処理条件は、より大きいマイクロメートルサイズの凝集体にナノメートルサイズの微粒子が詰め込まれたMC電極をもたらし、ナノメートルスケールの粒界を形成する。粒界は、望ましい特性(たとえば、電気的特性)を低下させる傾向がある欠陥であるので、通常は、粒子の数を減少させ、粒径を大きくすることが望ましい。現在の処理により、マイクロメートルサイズスケールの、より大きい領域を作成し、これによりNMC電極内の粒界の数を低減し、電気的特性を向上させる。特性の向上は、より堅牢な電池システムをもたらす。特定の実施形態では、より大きい領域サイズ(マイクロメートルサイズスケール以上)を作成するために、別のNMC電極が処理されてもよく、たとえばより堅牢なシステムを作成するために、NMC111、NMC811、NMC622、または別のNMC化合物が処理されてもよい。 Typical processing conditions result in MC electrodes packed with nanometer-sized particles in larger micrometer-sized agglomerates, forming nanometer-scale grain boundaries. Since grain boundaries are defects that tend to degrade desirable properties (eg, electrical properties), it is usually desirable to reduce the number of grains and increase the grain size. Current processing creates larger areas on the micrometer size scale, thereby reducing the number of grain boundaries in the NMC electrode and improving electrical properties. Improved performance results in a more robust battery system. In certain embodiments, separate NMC electrodes may be processed to create larger area sizes (micrometer size scale and above), e.g., NMC111, NMC811, NMC622, to create a more robust system. , or another NMC compound may be treated.
正極は、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)、または別のコーティングなどの材料で被覆されてもよい。図4A~図4Jは、単結晶NMC532からなる正極および人造黒鉛からなる負極を使用して、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6を含むベース電解質システム中の新規な2添加剤電解質システム(VC+DTDおよびFEC+DTD)と単一添加剤電解質システムを比較するUHPC実験中に収集された、本開示の2添加剤システムの典型的な実験データを示す。図4A~図4Jは、具体的にはVCまたはFECを含む電解質システムにDTDを添加する、本開示の2添加剤システムの利点を示す。 The positive electrode may be coated with a material such as aluminum oxide ( Al2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), or another coating. Figures 4A-4J show novel in a base electrolyte system containing 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate using a positive electrode composed of single crystal NMC532 and a negative electrode composed of artificial graphite. 2 shows typical experimental data for the two-additive system of the present disclosure collected during UHPC experiments comparing a simple two-additive electrolyte system (VC+DTD and FEC+DTD) with a single-additive electrolyte system. Figures 4A-4J illustrate the advantages of the two-additive system of the present disclosure, specifically adding DTD to an electrolyte system containing VC or FEC.
図4Aは、1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、時間当たりの時間正規化クーロン非効率(CIE/h)対サイクル数を示す。図4Bは、1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、クーロン効率(CE)対サイクル数を示す。図4Cは、1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、サイクル数に対してプロットされた充電終点の容量を示す。図4Dは、1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、放電容量対サイクル数を示す。図4Eは、1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、平均充電電圧と平均放電電圧との差対サイクル数を示す。図4Fは、1%DTD、2%FEC、および2%FEC+1%DTDを
含む電解質システムの、時間当たりの時間正規化クーロン非効率(CIE/h)対サイクル数を示す。図4Gは、1%DTD、2%FEC、および2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、クーロン効率(CE)対サイクル数を示す。図4Hは、1%DTD、2%FEC、および2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、サイクル数に対してプロットされた充電終点の容量を示す。図4Iは、1%DTD、2%FEC、および2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、放電容量対サイクル数を示す。図4Jは、1%DTD、2%FEC、および2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、平均充電電圧と平均放電電圧との差対サイクル数を示す。
FIG. 4A shows the time-normalized coulombic inefficiency per hour (CIE/h) versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 4B shows coulombic efficiency (CE) versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 4C shows end-of-charge capacity plotted against cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 4D shows discharge capacity versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 4E shows the difference between the average charge and discharge voltage versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 4F shows the time-normalized coulombic inefficiency per hour (CIE/h) versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, and 2% FEC+1% DTD. FIG. 4G shows coulombic efficiency (CE) versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, and 2% FEC+1% DTD. FIG. 4H shows end-of-charge capacity plotted against cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, and 2% FEC+1% DTD. FIG. 4I shows discharge capacity versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, and 2% FEC+1% DTD. FIG. 4J shows the difference between the average charge and discharge voltage versus cycle number for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, and 2% FEC+1% DTD.
図4A~図4Jは、2つの添加剤、具体的にはVC+DTDおよびFEC+DTDを有する電解質の利点を示す。実験データは、重量で30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6を含むベース電解質システム中にVCまたはFECを含む電解質システムにDTDを添加すると、VCまたはFECのみを添加剤として含む電解質システムの性能が向上することを示している。具体的には、図4A~図4Jは、(VC+DTDおよびFEC+DTD)を含む2添加剤システムは、添加剤のない、または1つのみの添加剤を有するシステムと比較して、より高いCE(セル内の電解質劣化が少ない)およびより低い充電終点運動(正極における電解質劣化が少ない)を有することを示している。さらに、図4A~図4Jは、望ましい低フェード率(Qd)も示している。したがって、2つの添加剤(VC+DTDおよび/またはFEC+DTD)を有する電解質システムは、DTD、VC、またはFECのうちの単一の添加剤のみを含む電解質システムよりも(CIE/h、CE、充電終点滑りに関して)良好に機能する。 Figures 4A-4J show the benefits of electrolytes with two additives, specifically VC + DTD and FEC + DTD. Experimental data show that the addition of DTD to an electrolyte system containing VC or FEC in a base electrolyte system containing 1.2 M LiPF in 30% ethylene carbonate and 70 % ethyl methyl carbonate by weight only added VC or FEC. It has been shown that the performance of the electrolyte system containing it as an agent is enhanced. Specifically, FIGS. 4A-4J show that two-additive systems containing (VC+DTD and FEC+DTD) have higher CE (cell (lower electrolyte degradation in the positive electrode) and lower end-of-charge dynamics (lower electrolyte degradation at the positive electrode). In addition, FIGS. 4A-4J also show the desired low fade rate (Q d ). Therefore, electrolyte systems with two additives (VC + DTD and/or FEC + DTD) perform better than electrolyte systems with only a single additive of DTD, VC, or FEC (CIE/h, CE, end-of-charge slip ) works well.
図5は、図4A~図4Jに示された実験中に生成されたデータの最後の3サイクルを要約している。図5Aは、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、時間当たりの時間正規化クーロン非効率(CIE/h)の最後の3サイクルの要約を示す。図5Bは、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、1時間あたりの断片滑りの最後の3サイクルの要約を示す。図5Cは、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDの、1時間あたりの断片フェードの最後の3サイクルの要約を示す。 FIG. 5 summarizes the last three cycles of data generated during the experiments shown in FIGS. 4A-4J. FIG. 5A shows the end of time-normalized coulombic inefficiencies per hour (CIE/h) for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC+1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. shows a summary of the three cycles of FIG. 5B shows a summary of the last three cycles of fragment sliding per hour for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC+1% DTD, 2% VC, and 2% VC+1% DTD. FIG. 5C shows a summary of the last three cycles of fragment fade per hour for 1%DTD, 2%FEC, 2%FEC+1%DTD, 2%VC, and 2%VC+1%DTD.
図5A~図5Cは、VC+DTDおよびVC+DTDを含む電解質システムが、1つの追加の添加剤、すなわち2%FEC、2%VC、または1%DTDのみを含むシステムと比較して、低い正規化クーロン非効率(CIE/h)、および1時間あたりより低い断片滑り(これらの電解質システムはより長い寿命を有することを意味する)を呈することを、示している。図5Aおよび図5Bは、別の添加剤を有していない1%DTDが最も高いCIE/hおよび断片滑りを示すことを、示している。しかしながら、DTDがVCまたはFECと組み合わせられると、2つの添加剤は、事前に予想されなかった相乗効果を形成し、いずれか単一の添加剤と比較して、2添加剤電解質システムの方がCIE/hおよび断片滑りを少なくする。図5Cは、単一の添加剤として、もしくはVCまたはFECを有する2添加剤電解質システムの一部として、1%DTDの存在が1時間あたりの断片フェードを減少させることを示す。これは、DTDが現在の発明の電池システムの寿命を延ばすために重要な添加剤であることを示している。DTDに加えて、他の硫黄含有化合物も同様に機能し、電池寿命を延ばすことができる。 Figures 5A-5C show that electrolyte systems containing VC + DTD and VC + DTD show lower normalized coulomb non-reduction compared to systems containing only one additional additive: 2% FEC, 2% VC, or 1% DTD. efficiency (CIE/h), and exhibit lower fragment slip per hour, meaning that these electrolyte systems have a longer lifetime. Figures 5A and 5B show that 1% DTD without another additive exhibits the highest CIE/h and fragment slip. However, when DTD is combined with VC or FEC, the two additives form a previously unexpected synergistic effect, with two-additive electrolyte systems being better than either single additive. Reduces CIE/h and fragment slippage. FIG. 5C shows that the presence of 1% DTD as a single additive or as part of a two-additive electrolyte system with VC or FEC reduces fragment fade per hour. This indicates that DTD is an important additive for extending the life of the battery system of the present invention. In addition to DTD, other sulfur-containing compounds can work similarly to extend battery life.
電解質溶媒としての酢酸メチル:特定の実施形態では、他の特性に加えてより高い充電および放電速度が予想されるとき、電池システム寿命を改善するために、溶媒として(最大60%までの濃度で)酢酸メチルが使用される。これは、車両およびその他の用途にとって特に重要である。図9A~図9Iは、寿命をあまり犠牲にせずに電解質伝導性を高め
て粘度を低下させるためにDTDを有するVCまたはFECを含有する電解質システムに酢酸メチルを添加できることを示す、いくつかの超高精度充電実験中に収集した典型的なデータを示す。伝導性の向上および粘度の低下は、より高い充電速度を要する特定の用途にとって重要である。
Methyl Acetate as Electrolyte Solvent: In certain embodiments, when higher charge and discharge rates are expected in addition to other properties, as a solvent (at concentrations up to 60% ) methyl acetate is used. This is of particular importance for vehicles and other applications. FIGS. 9A-9I show that methyl acetate can be added to electrolyte systems containing VCs or FECs with DTDs to increase electrolyte conductivity and reduce viscosity without significantly sacrificing lifetime. Typical data collected during precision charging experiments are shown. Improved conductivity and reduced viscosity are important for certain applications requiring higher charging rates.
図9Aは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、クーロン効率(CE)対サイクル数を示す。 Figure 9A shows 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte; 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% FEC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows coulombic efficiency (CE) versus number of cycles for the system.
図9Bは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムのサイクル数に対してプロットされた充電終点の容量を示す。 Figure 9B shows 2 % FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate; 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte; 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% FEC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows end-of-charge capacity plotted against system cycle number.
図9Cは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、放電容量対サイクル数を示す。 FIG. 9C shows 2 % FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate; 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte; 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% FEC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows discharge capacity versus number of cycles for the system.
図9Dは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチ
ル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、平均充電電圧と平均放電電圧との差対サイクル数を示す。
FIG. 9D shows 2 % FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte; 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% FEC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows the difference between the average charge voltage and the average discharge voltage versus the number of cycles for the system.
図9Fは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、クーロン効率(CE)対サイクル数を示す。 Figure 9F shows 2 % VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate; 2% VC + 1% DTD in base electrolyte; 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% VC + 1% DTD in base electrolyte of LiPF 6 1.2M in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% VC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2M LiPF6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows coulombic efficiency (CE) versus number of cycles for the system.
図9Gは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTDを含む電解質システムのサイクル数に対してプロットされた充電終点を示す。 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 2% VC + 1% DTD in base electrolyte; 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% VC + 1% DTD in base electrolyte of LiPF 6 1.2M in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% VC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2M LiPF6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows charge endpoint plotted against system cycle number.
図9Hは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、放電容量対サイクル数を示す。 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 2% VC + 1% DTD in base electrolyte; 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene carbonate, 56 2% VC + 1% DTD in base electrolyte of LiPF 6 1.2M in % ethyl methyl carbonate and 20% methyl acetate; 1.2 M in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate and 40% methyl acetate and 2% VC+1% DTD in a base electrolyte of 1.2M LiPF6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. Figure 2 shows discharge capacity versus number of cycles for the system.
図9Iは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;エチレン24%
エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、平均充電電圧と平均放電電圧との差対サイクル数を示す。
2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 2% VC + 1% DTD in base electrolyte; 2% VC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 24% ethylene
2% VC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate and 2% VC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate + 1 %. Figure 2 shows the difference between the average charge voltage and the average discharge voltage versus cycle number for an electrolyte system containing DTD.
図9A~図9Iは、VCおよびFECの両方を含むシステムにおいて、電解質溶媒としてMAを添加しても電池システムの全体的な性能を大きく犠牲にしないことを示しており、後に記載される長期サイクリングおよびめっき実験が示すように、これはより高い充電速度の下で寿命を延ばす。特に、本開示の2添加剤電解質システムの性能は、溶媒としてMAを添加しても犠牲にならない。図10A~図10Cは、図9A~図9Iに示される実験中に生成されたデータの最後の3サイクルの平均を示す。図10A~図10Cは、電解質溶媒としてMAを添加しても、2添加剤電解質システムを含む本開示の電池システムの全体的な性能を大きく犠牲にしないことを裏付けている。 Figures 9A-9I show that in systems containing both VC and FEC, the addition of MA as an electrolyte solvent does not significantly compromise the overall performance of the battery system, and the long-term cycling described later. and as plating experiments show, this extends the life under higher charging rates. In particular, the performance of the two-additive electrolyte system of the present disclosure is not sacrificed with the addition of MA as a solvent. FIGS. 10A-10C show averages of the last three cycles of data generated during the experiments shown in FIGS. 9A-9I. Figures 10A-10C confirm that the addition of MA as an electrolyte solvent does not significantly compromise the overall performance of the battery system of the present disclosure, including the two-additive electrolyte system.
添加剤としてのLFO:図39A~図39Hおよび図40A~図40Hは、対照電解質と比較してシステムの性能が良好に機能するように、LFOが電解質システム中で全体的に良好に機能することを示す、UHPC実験の結果を要約している。 LFOs as Additives: Figures 39A-39H and Figures 40A-40H demonstrate that LFOs perform well overall in electrolyte systems, such that system performance performs well compared to control electrolytes. summarizes the results of UHPC experiments, showing
図37A~図37Fおよび図38A~図38Fは、LFOを含まない対照と比較した、LFOを含む異なる電解質システムの実験貯蔵データを要約している。 Figures 37A-37F and 38A-38F summarize experimental storage data for different electrolyte systems containing LFOs compared to controls without LFOs.
図37A~図37Fは、他の添加剤が存在しないとき、LFOが貯蔵を劇的に改善することを示している。LFOが添加されると、貯蔵後に、電圧降下が劇的に低減し、ガス発生が劇的に低減し、インピーダンスが劇的に低減する。LFOは、MAの存在下でも有効である。図38A~図38Fは、EC/DMCに基づく電解質にLFOが添加されたときの同様の結果を示す。1%FEC+1%DTDのような優れた添加剤パッケージが使用されると、LFOによってもたらされる追加の利点は小さい。しかしながら、DTDベースの電解質システムは、グローブボックス内で混合および貯蔵されると経時的に色が変化することが多いので、将来的に除外される可能性がある。 Figures 37A-37F show that LFO dramatically improves storage in the absence of other additives. When LFOs are added, voltage drop is dramatically reduced, gassing is dramatically reduced, and impedance is dramatically reduced after storage. LFO is effective even in the presence of MA. Figures 38A-38F show similar results when an LFO is added to an EC/DMC-based electrolyte. When a good additive package such as 1% FEC + 1% DTD is used, the additional benefit provided by LFO is small. However, DTD-based electrolyte systems may be excluded in the future as they often change color over time when mixed and stored in a glovebox.
図46A~図46Dはセルの貯蔵実験の結果を示しており、より複雑な電解質が貯蔵性能において2%FEC+1%DTDに匹敵する能力を示している。 Figures 46A-46D show the results of cell storage experiments, demonstrating the ability of more complex electrolytes to rival 2% FEC + 1% DTD in storage performance.
図52A~図52D、図53A~図53D、図54A~図54D、および図55A~図55Cは、比較目的のため、LFOおよび2%VC+1%DTDも含む追加の電解質システムの結果を示している。観察されるように、LFOを有する電解質システムは、2%VC+1%DTDシステムと同等以上の性能を発揮する。図56A~図56Cは、CIE、断片フェード、および断片滑りの追加実験の結果を示す。2%VC+1%DTDの電解質システムは、非常に良好に機能する。1%LFO+2%VCおよび1%LFO+1%VC+1%FECの電解質システムもまた、(2%VC+1%DTDシステムほどではないが)良好に機能する。この実験データは、TAM実験データと一致している。 Figures 52A-52D, Figures 53A-53D, Figures 54A-54D, and Figures 55A-55C show results for additional electrolyte systems that also include an LFO and 2% VC + 1% DTD for comparison purposes. . As can be observed, the electrolyte system with LFO performs as well as or better than the 2% VC + 1% DTD system. Figures 56A-56C show the results of additional experiments for CIE, fragment fade, and fragment slip. An electrolyte system of 2% VC + 1% DTD works very well. Electrolyte systems of 1% LFO + 2% VC and 1% LFO + 1% VC + 1% FEC also work well (although not as well as the 2% VC + 1% DTD system). This experimental data is consistent with the TAM experimental data.
図57は、インピーダンスに対するUHPCサイクリングの影響を示す。LFOシステムは、全体的に良好に機能する。図58A~図58Dは、AおよびBとして示される2つの異なるコーティングを有するNMC622から作られた正極を有するLFOを含む電解質システムの実験データを要約している。研究した異なる電解質システムでは、LFOは、システムの電圧降下およびインピーダンスの減少にも影響を及ぼす。 FIG. 57 shows the effect of UHPC cycling on impedance. The LFO system works well overall. 58A-58D summarize experimental data for an electrolyte system containing an LFO with a positive electrode made from NMC622 with two different coatings indicated as A and B. FIG. In the different electrolyte systems studied, the LFO also affects the voltage drop and impedance reduction of the system.
LFOは、Guangzhou Tinci Materials Technology Co.,Ltd.およびShenzhen Capchem Technology Co.,Ltd.を含む、複数の供給元によって取得され得る。図60は、供給元とは無関係に、少なくとも50分以下の時間で空気の存在下では反応速度が同様であることを示している。図61は、5℃/分の温度勾配を有するアルゴン環境で行われた熱重量分析(「TGA」)実験を通じて、質量損失が同様であることを示している。 The LFO is manufactured by Guangzhou Tinci Materials Technology Co., Ltd. , Ltd. and Shenzhen Capchem Technology Co. , Ltd. can be obtained by multiple sources, including Figure 60 shows that regardless of the source, the reaction rates are similar in the presence of air for periods of at least 50 minutes or less. FIG. 61 shows similar mass loss through thermogravimetric analysis (“TGA”) experiments performed in an argon environment with a temperature gradient of 5° C./min.
[長期サイクリング]
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。充電速度および放電速度は、寿命に影響を及ぼす可能性がある。長期サイクリング実験は、期待される動作条件下での電池システムの経時的な回復力を判断するのに役立つ。所望の用途に十分な寿命を有する電池システムを選択することは、重要である。
[Long-term cycling]
Battery system life is an important characteristic of a battery system. Charge and discharge rates can affect longevity. Long-term cycling experiments help determine the resilience of battery systems over time under expected operating conditions. Selecting a battery system that has sufficient life for the desired application is important.
本開示の実施形態は、グリッドおよび車両貯蔵を含む、異なる用途向けに望ましい長期サイクリングを提示する。具体的には、最大60%までの濃度のMAが溶媒として使用される、VC+DTDおよびFEC+DTDの2添加剤電解質システムは、充電速度および放電速度がグリッド貯蔵用途向けよりも通常は高い自動車用途(特に電気自動車内のエネルギー貯蔵)に、特に関連している。 Embodiments of the present disclosure present desirable long-term cycling for different applications, including grid and vehicle storage. Specifically, the VC+DTD and FEC+DTD two-additive electrolyte systems, in which concentrations of up to 60% MA are used as solvents, are typically found in automotive applications (particularly of particular relevance for energy storage in electric vehicles).
長期サイクリング実験において、(別途指定されない限り)正極として通常は単結晶NMC532を使用し、(別途指定されない限り)負極として人造黒鉛を使用した。長期サイクリング実験の前に、パウチセルに形成プロセスを施した。まず、セルを11mA(C/20)で4.2Vまで充電し、3.8Vまで放電した。セルをグローブボックス内に搬送および移動させ、発生したガスを放出するために切り開き、次いで再度真空密閉した。形成後、セルをNeware充電システムでサイクルした。40℃±0.2℃または20℃±0.2℃で温度制御ボックス内にセルを収容した。電流がC/20未満に低下するまで充電上限でC/3(3hの半分のサイクル)の電流および定電圧ステップで、3.0Vと充電上限(4.2Vまたは4.3V)との間でセルをサイクルした。50サイクルごとに、セルにC/20で完全な1サイクルを施した。 In long-term cycling experiments, single crystal NMC532 was normally used as the positive electrode (unless otherwise specified) and synthetic graphite was used as the negative electrode (unless specified otherwise). Pouch cells were subjected to a forming process prior to long-term cycling experiments. First, the cell was charged at 11 mA (C/20) to 4.2V and discharged to 3.8V. The cell was transported and moved into the glovebox, cut open to release the evolved gas, and then vacuum sealed again. After formation, the cells were cycled in the Neware charging system. The cell was housed in a temperature controlled box at 40°C ± 0.2°C or 20°C ± 0.2°C. Between 3.0 V and the upper charge limit (4.2 V or 4.3 V) with a current of C/3 (3h half cycle) and a constant voltage step at the upper charge limit until the current drops below C/20 Cycled the cell. Every 50 cycles, the cell was subjected to one complete cycle at C/20.
添加剤としてFECまたはVCを有する2電解質システム:特定の実施形態では、各添加剤の濃度が約0.25~6%の2添加剤電解質システムは、電池システムの一部を形成する。図6A~図6Fは、40℃、C/3定充電、定電圧(CCCV)充電速度での長期サイクリングを研究した、典型的な実験データを示す。図6A~図6Fは、本開示の2添加剤電解質システムの、具体的には、VCまたはFECを有するDTDを含む電解質の利点を示す。図6Aは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データを示す。図6Bは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図6Cは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データを示す。図6Dは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データを示す。図6Eは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図6Fは、3.0Vから4.2Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%F
EC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス対サイクル数の実験データを示す。実験データは、VCまたはFECの単一添加剤電解質システムと比較して、2添加剤電解質システム(DTD+FECおよびDTD+VC)が、4.2または4.3Vまでサイクルしたときのより低い容量損失、ならびにより低い分極成長を経験することを示している。
Two-electrolyte system with FEC or VC as additive: In certain embodiments, a two-additive electrolyte system with a concentration of about 0.25-6% for each additive forms part of the battery system. Figures 6A-6F show typical experimental data studying long-term cycling at 40°C, C/3 constant charge, constant voltage (CCCV) charge rate. Figures 6A-6F illustrate the advantages of the two-additive electrolyte system of the present disclosure, specifically electrolytes containing DTDs with VC or FEC. Figure 6A shows capacity versus cycle for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC + 1% DTD, 2% VC, and 2% VC + 1% DTD cycled between 3.0V and 4.2V. A number of experimental data are presented. Figure 6B is the normalized capacity of electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC + 1% DTD, 2% VC, and 2% VC + 1% DTD cycled between 3.0V and 4.2V. Experimental data versus number of cycles are shown. FIG. 6C shows the voltage hysteresis ( Experimental data of the difference between the average charge voltage and the average discharge voltage) vs. number of cycles are shown. Figure 6D shows capacity versus cycle for electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC + 1% DTD, 2% VC, and 2% VC + 1% DTD cycled between 3.0V and 4.2V. A number of experimental data are presented. FIG. 6E is the normalized capacity of electrolyte systems containing 1% DTD, 2% FEC, 2% FEC + 1% DTD, 2% VC, and 2% VC + 1% DTD cycled between 3.0V and 4.2V. Experimental data versus number of cycles are shown. FIG. 6F is 1% DTD, 2% FEC, 2% F, cycling between 3.0V and 4.2V
Fig. 2 shows experimental data of voltage hysteresis versus number of cycles for electrolyte systems containing EC + 1% DTD, 2% VC, and 2% VC + 1% DTD. Experimental data show that the two-additive electrolyte systems (DTD+FEC and DTD+VC) have lower capacity loss when cycled to 4.2 or 4.3 V and more V when compared to single-additive electrolyte systems of VC or FEC. It is shown to experience low polarization growth.
図7A~図7Fは、20℃、C/3CCCV充電速度での長期サイクリングの典型的な実験データを示す。図6A~図6Fと同様に、図7A~図7Fは、VCまたはFECを含む電解質システムに添加剤としてDTDを含むことの利点を示す。図7A~図7Fは、40℃で見られる利点がより低い温度、この場合は20℃でも依然としてみられることを裏付けている。図7Aは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データを示す。図7Bは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図7Cは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データを示す。図7Dは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データを示す。図7Eは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図7Fは、3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、1%DTD、2%FEC、2%FEC+1%DTD、2%VC、および2%VC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データを示す。図7A~図7Fは、特にサイクリングが最大4.3Vで行われるときの、VCまたはFECを有する電解質中にDTDを含むことの利点を裏付けている。
Figures 7A-7F show typical experimental data for long-term cycling at 20°C and C/3 CCCV charging rate. Similar to FIGS. 6A-6F, FIGS. 7A-7F illustrate the benefits of including DTD as an additive in electrolyte systems containing VCs or FECs. Figures 7A-7F confirm that the benefits seen at 40°C are still seen at lower temperatures, in this
図6A~図6Fは、DTD+VCまたはDTD+FECからなる2添加剤電解質システムの利点を示す。図6A~図6Fは、2添加剤電解質システムの一部としてVCまたはFECを有するDTDを含んで40℃でサイクルすることで、4.2Vまたは4.3Vでの容量損失を減らして分極成長を低減することを示している。同様に、図7A~図7Fは、20℃で長期サイクリングしたときのDTDの利点を示す。図7A~図7Fは、2添加剤電解質システムの一部としてVCまたはFECを有するDTDを含んで20℃でサイクルすることで、4.2V(わずかに)および4.3V(より顕著に)での容量損失を減らして分極成長を低減することを示している。したがって、20℃でも40℃でも、VCまたはFECを有するDTDを含む2添加剤システムは、容量損失を減らして分極成長を低減することによって、電池システムを改善する。 Figures 6A-6F show the advantage of a two-additive electrolyte system consisting of DTD+VC or DTD+FEC. FIGS. 6A-6F show that cycling at 40° C. with DTDs with VC or FEC as part of a two-additive electrolyte system reduces capacity loss at 4.2 V or 4.3 V and promotes polarized growth. It shows that it decreases. Similarly, Figures 7A-7F show the benefit of DTD upon long-term cycling at 20°C. 7A-7F show that cycling at 20° C. with DTDs with VC or FEC as part of a two-additive electrolyte system yielded 4.2 V (slightly) and 4.3 V (more significantly) This indicates that it reduces the capacity loss of the s to reduce the polarization growth. Thus, at both 20° C. and 40° C., two-additive systems containing DTDs with VC or FEC improve battery systems by reducing capacity loss and reducing polarization growth.
特定の実施形態では、正極は、NMC111、NMC532、NMC822、NMC622、および/またはNMCxyzで形成される。特に、部分的に、NMC532の粒径は、より小さい粒径を有する、より多結晶性の他の標準的なMC材料の粒径よりも大きいので、単結晶NMC532で作られた正極は、特に堅牢であるように示されていた。図8A~図8Iは、単結晶NMC532から形成された正極を含む、本開示の特定の実施形態による電解質組成のサイクル実験中に収集した典型的な経験データを示す。図8Aは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%FEC、1%FEC+1%DTD、2%FEC+1%DTD、1%FEC+1%MMDS、および2%FEC+1%MMDSを含む電解質システムの、ピーク容量対サイクル数の実験
データを示す。図8Bは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%FEC、1%FEC+1%DTD、2%FEC+1%DTD、1%FEC+1%MMDS、および2%FEC+1%MMDSを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図8Cは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%FEC、1%FEC+1%DTD、2%FEC+1%DTD、1%FEC+1%MMDS、および2%FEC+1%MMDSを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データを示す。図8Dは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%VC、1%VC+1%DTD、2%VC+1%DTD、1%VC+1%MMDS、および2%VC+1%MMDSを含む電解質システムの、ピーク容量対サイクル数の実験データを示す。図8Eは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%VC、1%VC+1%DTD、2%VC+1%DTD、1%VC+1%MMDS、および2%VC+1%MMDSを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図8Fは、重量で、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%FEC、1%VC+1%DTD、2%VC+1%DTD、1%VC+1%MMDS、および2%VC+1%MMDSを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データを示す。図8Gは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%PES、1%PES+1%DTD、2%PES+1%DTD、1%PES+1%MMDS、および2%PES+1%MMDSを含む電解質システムの、ピーク容量対サイクル数の実験データを示す。図8Hは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%PES、1%PES+1%DTD、2%PES+1%DTD、1%PES+1%MMDS、および2%PES+1%MMDSを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データを示す。図8Iは、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6のベース電解質内で、40℃で3.0Vから4.3Vの間でサイクルする、2%FEC、1%PES+1%DTD、2%PES+1%DTD、1%PES+1%MMDS、および2%PES+1%MMDSを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)の実験データを示す。図8A~図8Iは、NMC532が、1%VC、2%VC、1%FEC、または2FECを有する1%DTDの2添加剤電解質システムを用いると良好に機能することを示している。DTDは、MMDSよりもVCまたはFECを有する添加剤として、より良く機能した。
In certain embodiments, the positive electrode is formed of NMC111, NMC532, NMC822, NMC622, and/or NMCxyz. In particular, the grain size of NMC532 is larger than that of other, more polycrystalline, standard MC materials, which have smaller grain sizes, so positive electrodes made of single crystal NMC532 are particularly shown to be robust. 8A-8I show typical empirical data collected during cycling experiments of electrolyte compositions according to certain embodiments of the present disclosure, including cathodes formed from single crystal NMC532. FIG. 8A Cycles between 3.0 V and 4.3 V at 40° C. in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate, 2% FEC, 1% Figure 2 shows experimental data of peak capacity versus cycle number for electrolyte systems including FEC + 1% DTD, 2% FEC + 1% DTD, 1% FEC + 1% MMDS, and 2% FEC + 1% MMDS. FIG. 8B Cycles between 3.0 V and 4.3 V at 40° C. in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate, 2% FEC, 1% Figure 2 shows experimental data for normalized capacity versus cycle number for electrolyte systems including FEC + 1% DTD, 2% FEC + 1% DTD, 1% FEC + 1% MMDS, and 2% FEC + 1% MMDS. FIG.
電解質溶媒としての酢酸メチル:特定の実施形態では、酢酸メチルは、(重量で)最大60%までの濃度で、一般にエチレンカーボネートおよび/またはエチルメチルカーボネートと組み合わせて、電解質溶媒として使用される。図15A~図15Fおよび図16A~図16Fは、それぞれ20℃および40℃で行われた実験の結果を示す。DTDを有するセルは、溶媒としてMAを含むセル内にDTDを含まないセルよりも良好に機能した。 Methyl Acetate as Electrolyte Solvent: In certain embodiments, methyl acetate is used as the electrolyte solvent at concentrations up to 60% (by weight), generally in combination with ethylene carbonate and/or ethyl methyl carbonate. Figures 15A-15F and 16A-16F show the results of experiments conducted at 20°C and 40°C, respectively. Cells with DTD performed better than cells without DTD in cells with MA as solvent.
図15Aは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56
%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。
15A, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.2 V; in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 ; 24% ethylene carbonate, 56
2% FEC in the base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 2% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of LiPF 6 ; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate; and 18% ethylene. Experiments obtained at 20°C of capacity vs. cycle number for electrolyte systems containing 2% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. It is a plot of the data.
図15Bは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 15B, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate cycled up to 4.2 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; FIG. 2 is a plot of experimental data obtained at 20° C. of normalized capacity versus number of cycles for an electrolyte system containing 2% FEC+1% DTD; FIG.
図15Cは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 15C, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.2 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; Fig. 3 is a plot of experimental data obtained at 20°C of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus cycle number for an electrolyte system containing 2% FEC + 1% DTD;
図15Dは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 15D, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.3 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; FIG. 2 is a plot of experimental data obtained at 20° C. of capacity versus number of cycles for an electrolyte system containing 2% FEC+1% DTD; FIG.
図15Eは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。
FIG.
図15Fは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の、20℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 15F, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.3 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; Fig. 3 is a plot of experimental data obtained at 20°C of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus cycle number for an electrolyte system containing 2% FEC + 1% DTD;
図15A~図15Fは、FECを含むシステムを、および20℃で溶媒としてMAを使用するシステムにおける、DTDの重要性を示す。DTDを有するセルは、特にMAを含むセルにおいて、DTDのないセルよりも良好に機能した。特に、20%MA溶媒を有する2%FEC+1%DTDは、4.3Vにおいて非常に安定した容量保持を示している。
図16A~図16Fは、40℃で行われた実験の結果を示す。DTDを有するセルは、MAを含むセルにおいて、DTDのないセルよりも良好に機能した。図16Aは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットである。
Figures 15A-15F show the importance of DTD in systems with FEC and in systems using MA as a solvent at 20°C. Cells with DTD performed better than cells without DTD, especially in cells with MA. In particular, 2% FEC + 1% DTD with 20% MA solvent shows very stable capacity retention at 4.3V.
Figures 16A-16F show the results of experiments conducted at 40°C. Cells with DTD performed better in cells with MA than cells without DTD. 16A, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.2 V; in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; FIG. 2 is a plot of experimental data obtained at 40° C. of capacity versus number of cycles for an electrolyte system containing 2% FEC+1% DTD; FIG.
図16Bは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLi
PF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットである。
FIG.
1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of PF6 ; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2M LiPF6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; ethylene 24% ethylene. 2% FEC + 1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40
図16Cは、最大4.2Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 16C, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate cycled up to 4.2 V; in 30% ethylene carbonate and 70% ethylmethyl carbonate; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; Fig. 3 is a plot of experimental data obtained at 40°C of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus cycle number for an electrolyte system containing 2% FEC + 1% DTD;
図16Dは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 16D, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.3 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; FIG. 2 is a plot of experimental data obtained at 40° C. of capacity versus number of cycles for an electrolyte system containing 2% FEC+1% DTD; FIG.
図16Eは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットであ
る。
FIG.
図16Fは、最大4.3Vまでサイクルした、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の1%FEC+1%DTD;24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTD;18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC;ならびに18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中に1.2MのLiPF6のベース電解質中の2%FEC+1%DTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の、40℃で得られた実験データのプロットである。 FIG. 16F, 2% FEC in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate cycled up to 4.3 V; 1% FEC + 1% DTD in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 at 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF 6 in 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate. 2% FEC+1% DTD in base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate; 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40%; 2% FEC in a base electrolyte of 1.2 M LiPF6 in % methyl acetate; Fig. 3 is a plot of experimental data obtained at 40°C of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus cycle number for an electrolyte system containing 2% FEC + 1% DTD;
図16A~図16Fは、FECを含むシステムを、および40℃で溶媒としてMAを使用するシステムにおける、DTDの重要性を示す。一般に、DTDを有するセルは、特にMAを含むセルにおいて、DTDのないセルよりも良好に機能した。20%MA溶媒を有する2%FEC+1%DTDを有する2添加剤電解質システムでは、同じだが溶媒としてMAを含まない2添加剤電解質システムと比較して、DTDの影響はわずかに弱まる。さらに、4.3Vで最大40%MAの添加により、サイクル寿命が短縮する。つまり、DTDおよびMAは、2添加剤電解質システムの性能の共生的な増加を有することができるが、しかしこの増加は、最大4.3Vまでのサイクルで動作すると弱まる。したがって、本開示の特定の実施形態では、電解質システムは、最大4.2Vまでしか動作しない。本開示の別の実施形態では、電解質システムは最大4.3Vまで動作するが、40%未満のMA濃度の場合である。 Figures 16A-16F show the importance of DTD in systems with FEC and in systems using MA as solvent at 40°C. In general, cells with DTD performed better than cells without DTD, especially in cells with MA. In the two-additive electrolyte system with 2% FEC + 1% DTD with 20% MA solvent, the effect of DTD is slightly weakened compared to the same two-additive electrolyte system without MA as solvent. Furthermore, the addition of up to 40% MA at 4.3V reduces the cycle life. That is, DTD and MA can have a symbiotic increase in the performance of the two-additive electrolyte system, but this increase diminishes when cycled up to 4.3V. Therefore, in certain embodiments of the present disclosure, the electrolyte system only operates up to 4.2V. In another embodiment of the present disclosure, the electrolyte system operates up to 4.3V, but for MA concentrations less than 40%.
正極としてのNMC622:特定の実施形態では、電池システムは、NMC622から作られた正極を有する。特定の実施形態では、正極は、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化チタン(TiO2)、または別のコーティングなどの材料で被覆されている。図17A~図17Fは、40℃、C/3CCCVで正極として被覆NMC622を有する1添加剤または2添加剤電解質システムの長期サイクリングの実験データを示す。破線は、実験データからの推定である。 NMC622 as positive electrode: In certain embodiments, the battery system has a positive electrode made from NMC622. In certain embodiments , the positive electrode is coated with a material such as aluminum oxide ( Al2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), or another coating. 17A-17F show experimental data for long-term cycling of one-additive or two-additive electrolyte systems with coated NMC622 as the positive electrode at 40° C., C/3CCCV. Dashed lines are extrapolations from experimental data.
より具体的には、図17Aは、最大4.3VまでサイクルしたFECおよび/またはDTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データのプロットである。図17Bは、最大4.3VまでサイクルしたFECおよび/またはDTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データのプロットである。図17Cは、最大4.3VまでサイクルしたFECおよび/またはDTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データのプロットである。図17Dは、最大4.3VまでサイクルしたVCおよび/またはDTDを含む電解質システムの、容量対サイクル数の実験データのプロットである。図17Eは、最大4.3VまでサイクルしたVCおよび/またはDTDを含む電解質システムの、正規化容量対サイクル数の実験データのプロットである。図17Fは、最大4.3VまでサイクルしたVCおよび/またはDTDを含む電解質システムの、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数の実験データのプロットである。 More specifically, FIG. 17A is a plot of capacity versus cycle number experimental data for electrolyte systems containing FEC and/or DTD cycled up to 4.3V. FIG. 17B is a plot of experimental data of normalized capacity versus number of cycles for electrolyte systems containing FEC and/or DTD cycled up to 4.3V. FIG. 17C is a plot of experimental data of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus number of cycles for electrolyte systems containing FEC and/or DTD cycled up to 4.3V. FIG. 17D is a plot of experimental data of capacity versus number of cycles for electrolyte systems containing VC and/or DTD cycled up to 4.3V. FIG. 17E is a plot of experimental data of normalized capacity versus number of cycles for electrolyte systems containing VC and/or DTD cycled up to 4.3V. FIG. 17F is a plot of experimental data of voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus number of cycles for an electrolyte system containing VC and/or DTD cycled up to 4.3V.
図17A~図17Fは、異なる正極が選択されたときでも、実験データは、2つの添加剤、すなわちVC+DTDおよびFEC+DTDを有する電解質システムの方が、VC、
FEC、またはDTDのいずれか単一の添加剤よりも優れた性能を発揮することを示すことを、示している。
Figures 17A-17F show that even when different cathodes were selected, the experimental data show that the electrolyte system with two additives, namely VC + DTD and FEC + DTD, favors VC,
The results show that either FEC or DTD perform better than either single additive.
負極としての天然黒鉛:特定の実施形態では、電池システムは、天然黒鉛から作られた負極を有する。図18A~図18Bおよび図19は、40℃、C/3CCCVで、正極として単結晶NMC532を使用し、負極として天然黒鉛を使用して実行した追加の長期サイクリング実験からのデータを示す。図18Aは、サイクル数に対してプロットされた容量を示す。図18Bは、サイクル数に対してプロットされた正規化容量を示す。図19は、電圧ヒステリシス(平均充電電圧と平均放電電圧との差)対サイクル数を示す。図18A~図18Bおよび図19は、DTD+FECを含む2電解質添加剤システムが、添加剤としてFECのみを含む電解質システムよりも性能を改善することを示しているが、人造黒鉛負極が使用された図6~Fと比較すると、この特定の人造黒鉛負極の性能が、本開示の2添加剤電解質システムにおけるこの特定の天然黒鉛負極よりも優れていることを示唆している。 Natural graphite as the negative electrode: In certain embodiments, the battery system has a negative electrode made from natural graphite. 18A-18B and 19 show data from additional long-term cycling experiments performed at 40° C., C/3CCCV, using single crystal NMC532 as the positive electrode and natural graphite as the negative electrode. FIG. 18A shows capacity plotted against cycle number. FIG. 18B shows normalized capacity plotted against cycle number. FIG. 19 shows voltage hysteresis (difference between average charge voltage and average discharge voltage) versus number of cycles. Figures 18A-18B and 19 show that the two-electrolyte additive system containing DTD + FEC improves performance over the electrolyte system containing only FEC as an additive, but in which an artificial graphite anode was used. 6-F, suggesting that the performance of this particular artificial graphite negative electrode is superior to this particular natural graphite negative electrode in the two-additive electrolyte system of the present disclosure.
特定の実施形態では、電池システムは、天然黒鉛負極を有する。負極として天然黒鉛を使用することは、通常はより高額な人造黒鉛に対するコスト節約手段として重要である。したがって、コストが主な要因であって何らかの性能トレードオフがなされ得るとき、天然黒鉛は良い選択であり得る。 In certain embodiments, the battery system has a natural graphite negative electrode. The use of natural graphite as the negative electrode is important as a cost saving measure over synthetic graphite, which is usually more expensive. Therefore, when cost is a major factor and some performance trade-offs can be made, natural graphite can be a good choice.
添加剤としてのLFO:特定の実施形態では、電解質システムとしてLFOが添加される。図41Aは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムのクーロン非効率対上限カットオフ電圧のデータを要約している。図41Bは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの断片フェード対上限カットオフ電圧のデータを要約している。図41Cは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの充電終点容量滑り対上限カットオフ電圧のデータを要約している。図42Aは、図41Aの拡大図を示し、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムのクーロン非効率対上限カットオフ電圧のデータを要約している。図42Bは、41Bの拡大図を示し、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの断片フェード対上限カットオフ電圧のデータを要約している。図42Cは、41Cの拡大図を示し、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの充電終点容量滑り対上限カットオフ電圧のデータを要約している。対照電解質にLFOを添加することで、UHPCの結果が大幅に改善する。MAが存在するとき、1%LFOは、0.5%LFOと比較して状況を劇的に改善する。CIE/hは、対照中の1%LFOで約4×10-5h-1である。比較すると、対照中の2%VC+1%DTDのようなLFOのない最良の電解質システムは、3×10-5h-1付近である。 LFOs as Additives: In certain embodiments, LFOs are added as electrolyte systems. FIG. 41A summarizes data for coulombic inefficiency versus upper cut-off voltage for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. FIG. 41B summarizes fragmentary fade versus upper cutoff voltage data for different electrolyte systems, including a system containing an LFO. FIG. 41C summarizes end-of-charge capacity slip versus upper cut-off voltage data for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. FIG. 42A shows a magnified view of FIG. 41A and summarizes data for coulombic inefficiency versus upper cut-off voltage for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. FIG. 42B shows a magnified view of 41B and summarizes fragmentary fade versus upper cutoff voltage data for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. FIG. 42C shows a magnified view of 41C and summarizes end-of-charge capacity slip versus upper cut-off voltage data for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. Addition of LFOs to the control electrolyte significantly improves the UHPC results. When MA is present, 1% LFO dramatically improves the situation compared to 0.5% LFO. CIE/h is about 4×10 −5 h −1 with 1% LFO in control. By comparison, the best electrolyte system without LFO, such as 2% VC+1% DTD in the control, is around 3×10 −5 h −1 .
図43A~図43Dは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの長期サイクリングデータを要約している。長期サイクリングの結果は、LFOを添加することでテストしたシステムにおけるインピーダンス成長を劇的に改善し、UHPCデータを裏付けることを示している。特に、対照電解質と20%MAを含む電解質システムとに1%LFOを添加することで、長期サイクリングおよびインピーダンスを改善する。 Figures 43A-43D summarize long-term cycling data for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. Long-term cycling results show that the addition of LFO dramatically improves the impedance growth in the tested system, corroborating the UHPC data. In particular, the addition of 1% LFO to control electrolytes and electrolyte systems containing 20% MA improves long-term cycling and impedance.
[微量熱量測定]
微量熱量測定は、動作中のセルへの熱流を測定する。セルへの熱流は、3つの異なる効果、すなわち(1)オーム加熱、(2)電極内に挿入されたLiによるエントロピー変化、および(3)寄生反応(添加剤を含む電解質、いずれかの電極における劣化)の組み合わせである。テストセルは、電解質のみが異なる同じ物理設計を含むので、熱流の違いは主に寄生熱流における違いによるものである。それにもかかわらず、Downieら(Journal of the Electrochemical Society,161,A1782-A1787(2014))およびGlazierら(Journal
of the Electrochemical Society,164(4)A567-A573(2017))によって開発された手順を使用して、全熱流から寄生熱流を抽出することができる。これらの参考文献は両方とも、その全体が本明細書に組み込まれる。サイクル中の寄生熱流が少ないセルの方が、寿命が長い。セル電圧の関数として測定された寄生熱流をプロットすることによって、寄生反応速度の電圧依存性を観察することができる。
[Microcalorimetry]
Microcalorimetry measures the heat flow to the cell during operation. Heat flow into the cell has three different effects: (1) ohmic heating, (2) entropy change due to Li inserted in the electrodes, and (3) parasitic reactions (electrolytes with additives, deterioration). Since the test cells contain the same physical design differing only in the electrolyte, the difference in heat flow is mainly due to the difference in parasitic heat flow. Nevertheless, Downie et al. (Journal of the Electrochemical Society, 161, A1782-A1787 (2014)) and Glazier et al.
of the Electrochemical Society, 164(4) A567-A573 (2017)) can be used to extract the parasitic heat flow from the total heat flow. Both of these references are incorporated herein in their entirety. Cells with less parasitic heat flow during cycling have a longer life. By plotting the measured parasitic heat flow as a function of cell voltage, the voltage dependence of the parasitic reaction rate can be observed.
微量熱量測定手順:各電解質の2つのセルをMaccor充電器に接続し、40.0℃でTAMIII微量熱量計(TA Instruments、安定性±0.0001℃、確度±1μW、精度±1nW)に挿入した。実験の間中の基線変動は、±0.5μWを超えなかった。微量熱量測定較正、セル接続、および動作手順に関する全ての仕様および情報は、以前の文献に見出すことができる(たとえば、Downieら,ECS Electrochemical Letters 2,A106-A109(2013))。きれいで安定したSEIを保証するために、3.0Vから4.2VまでのC/20速度でセルを4回サイクルし、次いで異なる電圧範囲における性能および寄生熱流を調査するために、1mAで4.0Vと異なるカットオフ上限との間で充電した。各対のセルはほぼ同一の性能をもたらしたので、各電解質について1セットの熱流データのみが提示される。
Microcalorimetry procedure: Two cells of each electrolyte were connected to a Maccor charger and inserted into a TAMIII microcalorimeter (TA Instruments, stability ±0.0001°C, accuracy ±1 μW, accuracy ±1 nW) at 40.0°C. bottom. Baseline variation during the experiment did not exceed ±0.5 μW. All specifications and information regarding microcalorimetry calibration, cell connections, and operating procedures can be found in previous publications (eg, Downie et al.,
1mAサイクリングのプロトコルは以下の通りである。
1.4.2Vまで充電、4.0Vまで放電
2.4.3Vまで充電、4.0Vまで放電(繰り返し)
3.4.4Vまで充電、4.0Vまで放電(繰り返し)
6.4.2Vまで充電、4.0Vまで放電
追加実験の詳細は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Journal of the Electrochemical Society,164(4)A567-A573(2017)に記載されている。
The protocol for 1 mA cycling is as follows.
1. Charge to 4.2V, discharge to 4.0
Charge to 3.4.4V, discharge to 4.0V (repeatedly)
6. Charge to 4.2 V, discharge to 4.0 V Additional experimental details are described in Journal of the Electrochemical Society, 164(4) A567-A573 (2017), which is incorporated herein by reference in its entirety. ing.
図11~図14に示される実験データでは、単結晶NMC532から作られた正極および人造黒鉛負極を有するパウチセルを使用した。
添加剤を除くと、電解質は、酢酸メチルの濃度(0、20、または40%)に応じて、(1)30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6、(2)エチレン24%エチレンカーボネート、56%エチルメチルカーボネート、および20%酢酸メチル中の1.2MのLiPF6、または(3)18%エチレンカーボネート、42%エチルメチルカーボネート、および40%酢酸メチル中の1.2MのLiPF6のいずれかであった。
The experimental data shown in Figures 11-14 used pouch cells with a positive electrode made from single crystal NMC532 and a synthetic graphite negative electrode.
Excluding additives, the electrolyte was (1) 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate, (2 ) 1.2 M LiPF 6 in ethylene 24% ethylene carbonate, 56% ethyl methyl carbonate, and 20% methyl acetate, or (3) 1 in 18% ethylene carbonate, 42% ethyl methyl carbonate, and 40% methyl acetate. .2M LiPF6 .
図11は、4.2Vまで充電したときの熱量測定実験の実験データ(寄生熱流対電圧)を示す。図12Aおよび図12Bは、4.3Vまで充電したときの熱量測定実験の実験データ(寄生熱流対電圧)を示す。4.3Vまでの充電を繰り返したので、各プロットは1回の充電の結果を示している。図13Aおよび図13Bは、4.4Vまで充電したときの実験データ(寄生熱流対電圧)を示す。4.4Vまでの充電を繰り返したので、各プロットは1回の充電の結果を示している。差のプロット(図11、図12A、図12B、図13A、および図13B)は、各電解質混合物の熱流を取り、対照(2%FEC)によって生成された熱流を減算することによって、計算される。図14は、図11~図13で伝えられた実験データの要約を示す。表1は、表形式で図14に表示されたデータを要約している。
図11~図14および表1は、FECにDTDを添加することで、より低い寄生熱流(より低い寄生反応速度)をもたらすことを示している。図11~図14および表1はまた、MAを添加することでより高い寄生熱流(より高い寄生反応速度)をもたらすことも示すが、しかしこの上昇はDTDによって緩和される可能性があり、これによりMAの添加から寄生反応速度の上昇を低減するのに役立つ。 Figures 11-14 and Table 1 show that adding DTD to FEC results in lower parasitic heat flow (lower parasitic reaction rate). Figures 11-14 and Table 1 also show that adding MA results in higher parasitic heat flow (higher parasitic reaction rate), but this increase can be mitigated by DTD, which helps reduce the parasitic reaction rate increase from the addition of MA.
添加剤としてのLFO:図47は、充電熱流が寄生熱流、充電過電位、および放電過電位とどのように関連するかを示す。図48a~図48Fは、TAM実験の結果を示す。差のプロットは、システムを2%VC+1%DTDと比較している。図48a~図48Fは、2%VC+1DTDの方が2%FEC+1DTDよりも優れていることを示している。これらはまた、システム内のLFO向けに最適化するときに、4.3Vを超えると、1%LFO+1%VC+1%FECの方が2%VC+1%DTDよりも優れていることも示している。1%LFOを有するシステムと比較すると、1%LFO+1%VCは、1%LFO+1%VC+1%FECとほぼ同等の性能を発揮し、4.3Vにおいて2%VC+1%DTDよりも優れている。図50A~図50Cに見られるように、最適なLFO組成は約1.0%である。図51は、最も性能が優れたセルのサイクルの関数としての平均寄生熱流を示している。1%VC+1%FECを有する0.5%LFOは、4.4Vサイクル後に最も性能が優れたシステムである。2%VC+1%LFOは2%VC+1%DTDに非常に匹敵する。したがって、VCを有し、DTDを有するかまたは有していないシステムが可能である。 LFO as Additive: FIG. 47 shows how charge heat flow relates to parasitic heat flow, charge overpotential, and discharge overpotential. Figures 48a-48F show the results of TAM experiments. The difference plot compares the system with 2% VC + 1% DTD. Figures 48a-48F show that 2% VC + 1DTD is better than 2% FEC + 1DTD. They also show that 1% LFO + 1% VC + 1% FEC is better than 2% VC + 1% DTD above 4.3 V when optimizing for the LFO in the system. Compared to a system with 1% LFO, 1% LFO + 1% VC performs almost as well as 1% LFO + 1% VC + 1% FEC and outperforms 2% VC + 1% DTD at 4.3V. As seen in Figures 50A-50C, the optimum LFO composition is about 1.0%. FIG. 51 shows the average parasitic heat flow as a function of cycle for the best performing cells. A 0.5% LFO with 1% VC + 1% FEC is the best performing system after 4.4V cycling. 2% VC + 1% LFO is very comparable to 2% VC + 1% DTD. Thus, systems with VCs and with or without DTDs are possible.
[めっき実験]
めっき実験では、高速で充電する能力をテストする。高速充電は、車両の一部であるときにエネルギー貯蔵において非常に重要であるが、ただしグリッド貯蔵ではより遅い充電速度が許容可能であり得る。高速充電は主に、負極に対するリチウムめっきによって制限され、これは安全性の問題につながり、サイクルおよびカレンダー寿命を縮める。このため、めっきせずにより高い充電速度を可能にする電解質システムが有利である。負極のめっきを研究するために、めっき実験を行った。容量損失が大きい方が、リチウムめっきが多いことを示す。
[Plating experiment]
Plating experiments test the ability to charge at high speed. Fast charging is very important in energy storage when part of a vehicle, although slower charging rates may be acceptable in grid storage. Fast charging is primarily limited by lithium plating on the negative electrode, which leads to safety issues and reduces cycle and calendar life. For this reason, an electrolyte system that allows higher charging rates without plating would be advantageous. Plating experiments were performed to study the plating of the negative electrode. Larger capacity loss indicates more lithium plating.
セルの充電能力をテストするために、めっき実験を行った。EIS測定の後、20.0±0.1℃でMaccor充電システムを使用して、2.8から4.1Vの間で1C、1.5C、および2.0Cの定電流(Cレート)でセルを充電および放電した。再現性を確保するために、充電速度ごとにペアセルをテストした。サイクル中の活性リチウム損失を判断するために、高充電速度セグメントの前後にセルをC/20で1回サイクルした。正極での電解質酸化を最小限に抑え、4.4Vでこれらのセルに発生する完全負荷負極をセルが決して有さないことを保証するために、上限カットオフ電圧を4.1Vに設定した。サイクル中に生成され得る少量のガスの影響を排除するために、全てのパウチセルを外部クランプでサイクルした。約350時間のサイクリングの後、または容量損失が20%に到達した後に、セルを停止した。 Plating experiments were performed to test the chargeability of the cells. After EIS measurement, at constant current (C-rate) of 1 C, 1.5 C, and 2.0 C between 2.8 and 4.1 V using Maccor charging system at 20.0 ± 0.1 °C. The cell was charged and discharged. Paired cells were tested at each charge rate to ensure reproducibility. To determine the active lithium loss during cycling, the cells were cycled once at C/20 before and after the high charge rate segment. The upper cutoff voltage was set at 4.1V to minimize electrolyte oxidation on the positive electrode and to ensure that the cells never had a fully loaded negative electrode, which occurs in these cells at 4.4V. All pouch cells were cycled with external clamps to eliminate the effects of small amounts of gas that may be generated during cycling. The cells were stopped after about 350 hours of cycling or after the capacity loss reached 20%.
添加剤としてFECまたはVCを有する2電解質システム:特定の実施形態では、各添加剤の濃度が約0.25~6%の2添加剤電解質システムは、電池システムの一部を形成する。図22は、異なる電流充電速度での異なる電池システムのめっき実験の実験データを示す。図22は、DTDを添加しても、めっきが行われる最大電流を著しく増加させないことを示している。たとえば、2つの添加剤、すなわち2%FEC+1%DTDからなる電解質システムの低速容量損失は、1C、1.5C、および2Cにおいて、単一の添加剤2%FECからなる電解質システムと比較して低減する。同様に、図22は、2つの添加剤、すなわち1%FEC+1%DTDからなる電解質システムの低速容量損失は、1Cおよび1.5Cにおいて、単一の添加剤2%FECからなる電解質システムと比較して低減することを示している。これは2Cでもわずかに高いだけである。 Two-electrolyte system with FEC or VC as additive: In certain embodiments, a two-additive electrolyte system with a concentration of about 0.25-6% for each additive forms part of the battery system. FIG. 22 shows experimental data for plating experiments of different battery systems at different current charging rates. Figure 22 shows that the addition of DTD does not significantly increase the maximum current at which plating occurs. For example, the slow capacity loss of an electrolyte system consisting of two additives, i.e., 2% FEC + 1% DTD, is reduced at 1C, 1.5C, and 2C compared to an electrolyte system consisting of a single additive, 2% FEC. do. Similarly, Figure 22 shows that the slow capacity loss of an electrolyte system consisting of two additives, 1% FEC + 1% DTD, at 1C and 1.5C compared to an electrolyte system consisting of a single additive, 2% FEC. It shows that the This is only slightly higher at 2C.
図23は、めっきテストからの実験データを示しており、30サイクルごとに充電電流が増加していた。大容量損失率は、リチウムめっきを示す。2Cの充電電流で、全てのセルがリチウムをめっきし始めた。しかしながら、DTDを有するセルは、めっき中にあまり容量を損失しない。これは、DTDを有するセルにおけるめっきの量がDTDのないセルよりも少ないことを示している。DTDに加えて、他の硫黄含有化合物も、めっきを減少させるために同様に機能することができる。 FIG. 23 shows experimental data from the plating test where the charging current increased every 30 cycles. A large capacity loss rate indicates lithium plating. At a charging current of 2C, all cells began to plate lithium. However, cells with DTDs do not lose much capacity during plating. This indicates that the amount of plating in cells with DTD is less than in cells without DTD. In addition to DTD, other sulfur-containing compounds can function similarly to reduce plating.
図24は、異なる電解質システムのサイクル数の関数としてのピーク容量の実験データの結果を示す。DTDは、DTDおよびMMDSがVCと組み合わせられたときに2添加剤電解質システムのピーク容量を維持する上で、MMDSよりも優れた性能を発揮した。 FIG. 24 shows experimental data results of peak capacity as a function of cycle number for different electrolyte systems. DTD performed better than MMDS in maintaining the peak capacity of the two-additive electrolyte system when DTD and MMDS were combined with VC.
電解質溶媒としての酢酸メチル:特定の実施形態にしたがって、めっきを減らすための溶媒として、最大60重量%までの濃度の酢酸メチルを使用する。図27~図34は、異なる電解質システムの存在下で溶媒としてMAを使用することの影響を示す。図27は、セルインピーダンスに対する、溶媒としてのMAおよび添加剤としてのDTDの存在の影響を判断するための、めっき実験の結果を示す。テストした電解質システムは、0%、20%、および40%MAを有する電解質中に2%の添加剤(VC、FEC、およびPES)を含む。0%MAの残りの電解質は、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。20%MAの残りの電解質は、24%エチレンカーボネートおよび56%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。40%MAの残りの電解質は、18%エチレンカーボネートおよび42%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。図28は、低速容量損失が少ない、図27に示される特定のデータの拡大図である。 Methyl Acetate as Electrolyte Solvent: According to certain embodiments, methyl acetate is used in concentrations up to 60% by weight as a solvent to reduce plating. Figures 27-34 show the effect of using MA as a solvent in the presence of different electrolyte systems. FIG. 27 shows the results of plating experiments to determine the effect of the presence of MA as a solvent and DTD as an additive on cell impedance. The electrolyte systems tested included 2% additives (VC, FEC, and PES) in electrolytes with 0%, 20%, and 40% MA. The remaining electrolyte at 0% MA is 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 20% MA is 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate and 56% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 40% MA is 1.2 M LiPF6 in 18% ethylene carbonate and 42% ethyl methyl carbonate. FIG. 28 is an enlarged view of certain data shown in FIG. 27 with low low speed capacity loss.
図27および図28では、容量損失が大きい方が、リチウムめっきが多いことを示す。図27および図28は、2Cの充電速度であっても、MAの存在によって低速容量損失が減少することを示している。したがって、20%または40%のMAを含有する電解質シ
ステムは、高速充電電流率に曝される可能性のある車両内のエネルギー貯蔵など、高速充電を行う用途で使用するのに有力な候補である。
In Figures 27 and 28, higher capacity loss indicates more lithium plating. Figures 27 and 28 show that the presence of MA reduces the slow capacity loss even at 2C charge rate. Electrolyte systems containing 20% or 40% MA are therefore good candidates for use in fast charging applications such as energy storage in vehicles that may be exposed to fast charging current rates. .
図29、図30、および図31は、添加剤としてFECを含む電解質システムの実験データの結果を示す。異なるデータセットは、図の凡例で示されるように、DTDおよび/またはMAを含む。図29、図30、および図31は、FECを有する1添加剤または2添加剤電解質システムにMAを添加することで、著しいめっきなしで、最大2Cまでを含む、より高い充電速度が可能になることを示している。 Figures 29, 30, and 31 show the results of experimental data for electrolyte systems containing FEC as an additive. Different datasets include DTDs and/or MAs, as indicated in the figure legends. Figures 29, 30, and 31 show that the addition of MA to one-additive or two-additive electrolyte systems with FEC enables higher charging rates, including up to 2C, without significant plating. It is shown that.
同様に、図32、図33、および図34は、添加剤としてVCを含む電解質システムの実験データの結果を示す。異なるデータセットは、図の凡例で示されるように、DTDおよび/またはMAを含む。図32、図33、および図34は、VCを有する1添加剤または2添加剤電解質システムにMAを添加することで、著しいめっきなしで、最大2Cまでを含む、より高い充電速度が可能になることを示している。 Similarly, Figures 32, 33 and 34 show experimental data results for electrolyte systems containing VC as an additive. Different datasets include DTDs and/or MAs, as indicated in the figure legends. Figures 32, 33, and 34 show that the addition of MA to a one-additive or two-additive electrolyte system with VC enables higher charging rates, including up to 2C, without significant plating. It is shown that.
電解質添加剤としてのLFO:図44A~図44Dは、LFOを含むシステムを含む、異なる電解質システムの高速充電下での長期サイクリングデータを要約している。実験データからわかるように、MAの存在によってめっきの量が減少する。さらに、LFOは、高速充電中のLiめっきの可能性を減らす。たとえば、図44Aでは、20%MA+1%LFOを有する電解質システムは、MAまたはLFOのいずれかが少ない別のシステムよりも著しく少ない正規化放電容量の損失を示している。正規化放電容量の損失は、めっきを表す。 LFOs as electrolyte additives: Figures 44A-44D summarize long-term cycling data under fast charging for different electrolyte systems, including systems containing LFOs. As can be seen from the experimental data, the presence of MA reduces the amount of plating. Additionally, the LFO reduces the possibility of Li plating during fast charging. For example, in FIG. 44A, an electrolyte system with 20% MA+1% LFO exhibits significantly less normalized discharge capacity loss than another system with either less MA or less LFO. Loss of normalized discharge capacity represents plating.
[ガス体積測定]
グリッド貯蔵、または電気自動車などの自動車におけるエネルギー貯蔵など、意図される用途でセルを使用する前に、形成プロセスが実行される。形成中、セルは正確に制御された充電および放電サイクルを受けるが、これは意図される用途で使用するために電極および電解質を活性化させることを目的とする。形成中、ガスが発生する。十分な量のガスが発生した場合(セルおよびセルパッケージによって許容される具体的な公差に応じて)、形成プロセスの後、および用途での使用の前に、ガスを放出する必要があるかも知れない。これは通常、シールを破壊し、続いて再封止する、追加ステップを必要とする。これらのステップは多くの電池システムにとって一般的であるが、可能であればガスの生成が少ないシステムを選択することによって、これらを排除することが望ましい。
[Gas volume measurement]
A forming process is carried out before the cells are used in their intended application, such as grid storage or energy storage in vehicles such as electric vehicles. During formation, the cell undergoes precisely controlled charge and discharge cycles, which are intended to activate the electrodes and electrolyte for use in the intended application. Gas is evolved during formation. If a sufficient amount of gas is generated (depending on the specific tolerances allowed by the cell and cell package), it may be necessary to release the gas after the forming process and prior to use in the application. do not have. This usually requires an additional step of breaking the seal and then resealing. Although these steps are common to many battery systems, it is desirable to eliminate them if possible by choosing systems that produce less gas.
ガス体積実験は、以下のように勧められた。形成中およびサイクル中のガス発生を測定するために、ex-situ(静的)ガス測定を使用した。測定は、セルを液体に浸漬させながら天秤から吊下させて、アルキメデスの原理を使用して行われた。テスト前後の、流体中に吊下されたセルの重量の変化は、浮力の変化による体積変化と直接関連している。密度pの流体中に吊下されたセルの質量Amの変化はセル体積Δνの変化と、Δν=Am/pによって関連付けられている。 Gas volume experiments were recommended as follows. Ex-situ (static) gas measurements were used to measure gas evolution during formation and cycling. Measurements were made using Archimedes' principle with the cell suspended from a balance while immersed in the liquid. The change in weight of the cell suspended in the fluid before and after the test is directly related to the change in volume due to the change in buoyancy. Changes in the mass Am of a cell suspended in a fluid of density p are related to changes in the cell volume Δν by Δν=Am/p.
添加剤としてFECまたはVCを有する2電解質システム:特定の実施形態では、各添加剤の濃度が約0.25~6%の2添加剤電解質システムは、電池システムの一部を形成する。図20は、発生したガスの量が上述の手順にしたがって測定された、ガス発生実験の結果を示す。図20は、DTDのないシステムの方が通常は性能が良いこと、たとえば、添加剤として2%FECのみを含むシステムは、1%FEC+1%DTDおよび2%FEC+1%DTDよりも性能が良いことを示している。つまり、DTDは、形成中のガス体積発生量を増加させ、別の添加剤、たとえばVCおよびFECと組み合わせたときの望ましい特性のため添加剤としてDTDが使用される場合には、システムは、上記で論じられたように形成後のガス放出など、DTDによって発生したガスを安全に処理する機構を
含む必要がある。図20は、MMDSおよびPESまたはFECを含む2添加剤電解質システムが、2%PESまたはFECが唯一の添加剤であるときよりも(もしあっても)多くの追加ガスを生成しないことを示している。
Two-electrolyte system with FEC or VC as additive: In certain embodiments, a two-additive electrolyte system with a concentration of about 0.25-6% for each additive forms part of the battery system. Figure 20 shows the results of a gas generation experiment in which the amount of gas generated was measured according to the procedure described above. Figure 20 shows that systems without DTD typically perform better, e.g., systems containing only 2% FEC as an additive perform better than 1% FEC + 1% DTD and 2% FEC + 1% DTD. showing. That is, DTD increases gas volume production during formation, and when DTD is used as an additive due to its desirable properties when combined with other additives such as VC and FEC, the system will Mechanisms for safely handling the gases generated by the DTD should be included, such as post-formation outgassing as discussed in . FIG. 20 shows that a two-additive electrolyte system containing MMDS and PES or FEC does not produce more (if any) additional gas than when 2% PES or FEC is the only additive. there is
電解質溶媒としての酢酸メチル:特定の実施形態にしたがって、めっきを減らすための溶媒として、最大60重量%までの濃度の酢酸メチルを使用する。図25は、発生した形成ガスに対する、溶媒としてのMAおよび添加剤としてのDTDの存在の影響を判断するための、ガス発生実験の結果を示す。テストした電解質システムは、0%、20%、および40%MAを有する電解質中に2%の添加剤(VC、FEC、およびPES)を含む。0%MAの残りの電解質は、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。20%MAの残りの電解質は、24%エチレンカーボネートおよび56%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。40%MAの残りの電解質は、18%エチレンカーボネートおよび42%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。 Methyl Acetate as Electrolyte Solvent: According to certain embodiments, methyl acetate is used in concentrations up to 60% by weight as a solvent to reduce plating. FIG. 25 shows the results of gas generation experiments to determine the effect of the presence of MA as a solvent and DTD as an additive on the formed gas generated. The electrolyte systems tested included 2% additives (VC, FEC, and PES) in electrolytes with 0%, 20%, and 40% MA. The remaining electrolyte at 0% MA is 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 20% MA is 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate and 56% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 40% MA is 1.2 M LiPF6 in 18% ethylene carbonate and 42% ethyl methyl carbonate.
図25は、DTDを有するVCまたはFECを含む2添加剤電解質システム中で、MAの添加によるガスの量の増加は、MAの量が増加してもあまり変化しないことを示している。つまり、DTDが2添加剤電解質システムの一部であるとき、VCまたはFECのみを有する1添加剤電解質システムと比較して、発生したガスの限界量は少ない。
In-Situガス体積測定
FIG. 25 shows that in a two-additive electrolyte system containing VC or FEC with DTD, increasing the amount of gas with the addition of MA does not change much with increasing amount of MA. That is, when the DTD is part of a two-additive electrolyte system, the critical amount of gas generated is less compared to a one-additive electrolyte system with only VC or FEC.
In-situ gas volume measurement
図45Aおよび図45Bは、40℃でのin-situガス実験の結果を要約している。LFOはあるがMAがないセルは、これらのテストの保持セグメント中のガス発生が少ないことを示している。
セルインピーダンス
Figures 45A and 45B summarize the results of in-situ gas experiments at 40°C. Cells with LFO but no MA show less gassing during the hold segment of these tests.
cell impedance
本明細書に開示された2添加剤電解質システムおよび新規な電池システムは、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ので、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、充電速度が高くなり、エネルギー効率も高くなる。 The two-additive electrolyte system and novel battery system disclosed herein have low cell impedance. Minimizing cell impedance is desirable because cell impedance reduces the energy efficiency of the cell. Conversely, lower impedance results in faster charging speeds and higher energy efficiency.
電気化学インピーダンス分光法(EIS)を使用して、セルインピーダンスを測定した。パウチセルは、別途指定されない限り、単結晶NMC532正極および人造負極を使用し、EIS測定は形成後に行われた。セルを10.0±0.1℃の温度ボックスに移動させる前に、セルを3.80Vまで充電または放電した。10.0±0.1℃で10mVの信号振幅で、100kHzから10mHzまで、デケードあたり10点の分解能でACインピーダンススペクトルを収集した。測定したACインピーダンスから、電荷移動抵抗(Rct)を計算してプロットした。 Cell impedance was measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Pouch cells used single crystal NMC532 positive electrodes and synthetic negative electrodes, unless otherwise specified, and EIS measurements were made after formation. The cell was charged or discharged to 3.80V before moving the cell to a temperature box of 10.0±0.1°C. AC impedance spectra were collected at 10.0±0.1° C. with a signal amplitude of 10 mV, from 100 kHz to 10 mHz with a resolution of 10 points per decade. From the measured AC impedance, the charge transfer resistance (R ct ) was calculated and plotted.
添加剤としてFECまたはVCを有する2電解質システム:特定の実施形態では、各添加剤の濃度が約0.25~6%の2添加剤電解質システムは、電池システムの一部を形成する。図21は、1%または2%のPES、FEC、またはVCを有する1%DTDからなる2添加剤電解質システムのセル電荷移動インピーダンス実験の実験データを示す。図21は、1%または2%のPES、FEC、またはVCを有する1%DTDのこれらの2添加剤電解質システムが、セル電荷移動インピーダンスを著しく増加させないことを示している。特に、1%VCを有する1%DTD、2%VCを有する1%DTD、1%FECを有する1%DTD、および2%FECを有する1%DTDのシステムは、DTDを除外した単一添加剤システムで見られるセル電荷移動インピーダンスと同様のセルインピーダンス値を呈する。したがって、これらの新規な2添加剤電解質システムは、DTDを含むことによって、重要な電荷移動インピーダンス性能を犠牲にしない。 Two-electrolyte system with FEC or VC as additive: In certain embodiments, a two-additive electrolyte system with a concentration of about 0.25-6% for each additive forms part of the battery system. FIG. 21 shows experimental data for cell charge transfer impedance experiments of two-additive electrolyte systems consisting of 1% DTD with 1% or 2% PES, FEC, or VC. FIG. 21 shows that these two-additive electrolyte systems at 1% DTD with 1% or 2% PES, FEC, or VC do not significantly increase cell charge transfer impedance. Specifically, systems with 1% DTD with 1% VC, 1% DTD with 2% VC, 1% DTD with 1% FEC, and 1% DTD with 2% FEC are single additive It exhibits a cell impedance value similar to the cell charge transfer impedance seen in the system. Therefore, these novel two-additive electrolyte systems do not sacrifice critical charge transfer impedance performance by including a DTD.
電解質溶媒としての酢酸メチル:特定の実施形態にしたがって、めっきを減らすための溶媒として、最大60重量%までの濃度の酢酸メチルを使用する。図26は、溶媒の1つとしてMAを有する1添加剤および2添加剤システムからなる電解質システムに対するセル電荷移動インピーダンス実験の結果を示す。テストした添加剤電解質システムは、0%、20%、および40%MAを有する電解質溶媒中の電解質システムへのDTDおよびMAの影響を示すために、1%DTDなしおよびなしの添加剤VC、FEC、およびPESを2%含んでいた。0%MAの電解質は、30%エチレンカーボネートおよび70%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。20%MAの残りの電解質は、24%エチレンカーボネートおよび56%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。40%MAの残りの電解質は、18%エチレンカーボネートおよび42%エチルメチルカーボネート中の1.2MのLiPF6である。図26は、DTDが電荷移動インピーダンスのわずかな上昇のみを生成することを示している。さらに、DTDを有するVCまたはFECを含む2添加剤電解質システムでは、MAの添加によってセル電荷移動インピーダンスを低下させる。40%MA溶媒では、VC+DTDおよびFEC+DTDシステムは、DTDおよび溶媒としてのMAを含まない対応するシステムからの電荷移動インピーダンスの低下を示した。PES+DTD2添加剤電解質システムでは、MAもまたシステムの電荷移動インピーダンスを低下させた。 Methyl Acetate as Electrolyte Solvent: According to certain embodiments, methyl acetate is used in concentrations up to 60% by weight as a solvent to reduce plating. FIG. 26 shows the results of cell charge transfer impedance experiments for electrolyte systems consisting of one-additive and two-additive systems with MA as one of the solvents. The additive electrolyte system tested was additive VC, FEC, without and without 1% DTD to show the effect of DTD and MA on the electrolyte system in electrolyte solvents with 0%, 20%, and 40% MA. , and PES at 2%. The electrolyte at 0% MA is 1.2 M LiPF6 in 30% ethylene carbonate and 70% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 20% MA is 1.2 M LiPF6 in 24% ethylene carbonate and 56% ethyl methyl carbonate. The remaining electrolyte at 40% MA is 1.2 M LiPF6 in 18% ethylene carbonate and 42% ethyl methyl carbonate. FIG. 26 shows that DTD produces only a slight increase in charge transfer impedance. Furthermore, in two-additive electrolyte systems containing VC or FEC with DTD, the addition of MA lowers the cell charge transfer impedance. At 40% MA solvent, the VC+DTD and FEC+DTD systems showed reduced charge transfer impedance from the corresponding systems without DTD and MA as solvent. In the PES+DTD2 additive electrolyte system, MA also lowered the charge transfer impedance of the system.
上記の開示は、開示された使用の正確な形態または特定の分野に本開示を限定することを意図するものではない。したがって、本明細書において明確に記載されるか暗示されるかにかかわらず、本開示に鑑みて、様々な代替実施形態および/または本開示に対する修正が可能であると考えられる。本開示の実施形態をこのように説明してきたが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく形態および詳細に変更がなされ得ることを認識するだろう。したがって、本開示は請求項によってのみ限定される。明細書中の添加剤への言及は、一般に、別途明細書において指定されない限り、有効添加剤を指す。 The above disclosure is not intended to limit the present disclosure to the precise forms of use disclosed or to the particular field. Thus, it is contemplated that various alternative embodiments and/or modifications to the present disclosure, whether expressly stated or implied herein, are possible in light of the present disclosure. Having thus described embodiments of the present disclosure, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the scope of the present disclosure. Accordingly, the disclosure is limited only by the claims. References to additives in the specification generally refer to active additives unless otherwise specified in the specification.
上記の明細書では、特定の実施形態を参照して本開示を説明してきた。しかしながら、当業者によって理解されるように、本明細書で開示された様々な実施形態は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、様々な他の方法で修正または実施することができる。したがって、この説明は例示的と見なされるべきであり、開示される電池システムの様々な実施形態を作成および使用する方法を当業者に教示することを目的とするものである。本明細書に示され記載される開示の形態は、代表的な実施形態として解釈されるべきであることを理解されたい。同等の要素、または材料は、本明細書で代表的に図示および記載されたものと置き換えられてもよい。また、本開示の特定の特徴は、本開示のこの説明の利益を受けた後に当業者には明らかとなるように、他の特徴の使用とは独立して利用されてもよい。本開示を説明および請求するために使用される「含む(including)」、「備える(comprising)」、「組み込む(incorporating)」、「からなる(consisting of)」、「有する(have)」、「ある(is)」などの表現は、包括的に解釈されるように意図され、すなわち明確に記載されていないアイテム、成分、または要素も存在することができる。単数形の言及は、複数形にも関すると解釈されるべきである。「約」または「およそ」の言及は、プラスまたはマイナス10%を意味すると解釈されるべきである。同様に、ある添加剤の任意のパーセンテージの言及は、プラスまたはマイナス10%を意味すると解釈されるべきである。 In the foregoing specification, the disclosure has been described with reference to specific embodiments. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the various embodiments disclosed herein can be modified or implemented in various other ways without departing from the spirit and scope of the disclosure. Accordingly, this description is to be considered exemplary and is for the purpose of teaching those skilled in the art how to make and use the various embodiments of the disclosed battery system. It is to be understood that the forms of disclosure shown and described herein are to be construed as representative embodiments. Equivalent elements or materials may be substituted for those typically shown and described herein. Also, certain features of the disclosure may be utilized independently of the use of other features, as would be apparent to one of ordinary skill in the art after having the benefit of this description of the disclosure. The terms "including", "comprising", "incorporating", "consisting of", "have" and "have" are used to describe and claim this disclosure. Phrases such as "is" are intended to be interpreted inclusively, ie, there may also be items, ingredients, or elements not explicitly listed. References to the singular should be construed to also refer to the plural. References to "about" or "approximately" should be construed to mean plus or minus 10%. Similarly, reference to any percentage of an additive should be construed to mean plus or minus 10%.
さらに、本明細書に開示された様々な実施形態は、例示および説明の意味で解釈されるべきであり、決して本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。全ての結合の言及(たとえば、取り付け、固定、結合、接続など)は、本開示の読者の理解を支援するためにのみ使用され、特に本明細書に開示されたシステムおよび/または方法の位置、配向、または使用に関して制限を形成するものではない。したがって、結合の言及は、もし
あれば、広義に解釈されるべきである。また、このような結合の言及は、必ずしも2つの要素が互いに直接接続されることを暗示するものではない。
Moreover, the various embodiments disclosed herein are to be construed in an illustrative and explanatory sense, and not as limiting the present disclosure in any way. All coupling references (e.g., mounting, securing, coupling, connecting, etc.) are used only to assist the reader's understanding of the present disclosure, particularly the location of the systems and/or methods disclosed herein, It is not intended to form any limitation as to orientation or use. References to coupling, if any, should therefore be interpreted broadly. Also, such coupling references do not necessarily imply that the two elements are directly connected to each other.
加えて、「第1」、「第2」、「第3」、「一次」、「二次」、「主要な」、またはその他いずれかの通常のおよび/または数に関する用語などの、ただしこれらに限定されない全ての数に関する用語もまた、本開示の様々な要素、実施形態、変形、および/または修正の読者の理解を支援するために、識別子としてのみ解釈されるべきであり、別の要素、実施形態、変形、および/または修正に対するいずれかの要素、実施形態、変形、および/または修正の、特に順序または優先度に関して、いかなる制限も形成するものではない。 In addition, terms such as "first", "second", "tertiary", "primary", "secondary", "principal", or any other regular and/or numerical terms, but not these All numerical terms, including but not limited to, should also be construed as identifiers only, to aid the reader's understanding of the various elements, embodiments, variations, and/or modifications of the present disclosure; , embodiments, variations and/or modifications, particularly as to the order or priority of any element, embodiment, variation and/or modification.
また、図面/図に示された要素のうちの1つ以上は、特定の用途に有用であるように、より分割または統合された方法で実施されてもよく、または特定の場合には省略または動作不能として除去されることも可能である。 Also, one or more of the elements shown in a drawing/figure may be implemented in a more divided or integrated manner, or in certain cases omitted or omitted, as is useful for a particular application. It can also be removed as inoperable.
図50A~図50Cは、異なる電解質システムのサイクル数の関数としての実験的な平均寄生熱流データを要約している。Figures 50A-50C summarize experimental average parasitic heat flow data as a function of cycle number for different electrolyte systems.
Claims (19)
正極と、
第1の非水性溶媒に溶解したリチウムイオン、および添加剤混合物を含む非水性電解質と、を備え、
前記添加剤混合物は、
ジフルオロリン酸リチウムの第1の有効添加剤と、
フルオロエチレンカーボネートまたはビニレンカーボネートのいずれかの第2の有効添加剤と、を含む、リチウムイオン電池。 a negative electrode;
a positive electrode;
a non-aqueous electrolyte comprising lithium ions dissolved in a first non-aqueous solvent and an additive mixture;
The additive mixture is
a first active additive of lithium difluorophosphate;
and a second active additive of either fluoroethylene carbonate or vinylene carbonate.
マイクロメートルスケールの粒子を有するNMCを備える正極と、
第1の非水性溶媒に溶解したリチウムイオン、および添加剤混合物を含む非水性電解質と、を備え、
前記添加剤混合物は、
フルオロエチレンカーボネートまたはビニレンカーボネートのいずれかの第1の有効添加剤と、
1,3,2-ジオキサチオラン-2,2-ジオキシド、別の硫黄含有添加剤、またはジフルオロリン酸リチウムのいずれかの第2の有効添加剤と、を含む、リチウムイオン電池。 a negative electrode;
a positive electrode comprising an NMC having micrometer-scale particles;
a non-aqueous electrolyte comprising lithium ions dissolved in a first non-aqueous solvent and an additive mixture;
The additive mixture is
a first active additive, either fluoroethylene carbonate or vinylene carbonate;
1,3,2-dioxathiolane-2,2-dioxide, another sulfur-containing additive, or a second active additive, either lithium difluorophosphate.
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