JP6173381B2 - Electrolyte and electrical storage device with multilayer structure - Google Patents

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Description

本発明は、多層構造を有する電解質並びに電気貯蔵デバイス、とりわけ、そのような電解質を含むバッテリーセル(battery cell)に関する。多層電解質は、なかでもリチウムイオン電池にとって魅力的である。   The present invention relates to an electrolyte having a multilayer structure and an electrical storage device, and more particularly to a battery cell comprising such an electrolyte. Multilayer electrolytes are particularly attractive for lithium ion batteries.

リチウムイオン電池用の電解質の層状構造は、液体電解質及び/又は固体電解質の多数の層から成っていてよい。とりわけ、そのような構造は、2つの層(必ずしも同じ組成である必要はない)の液体電解質及びセパレーターとしての真ん中の層の固体電解質を含んでいてよい。   The layered structure of the electrolyte for a lithium ion battery may consist of multiple layers of liquid electrolyte and / or solid electrolyte. In particular, such a structure may include two layers (not necessarily of the same composition) of liquid electrolyte and a middle layer of solid electrolyte as a separator.

液体電解質の例は、エチレンカーボネート及びエチルカーボネート(EC及びEMC)と電導度塩としての六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)との混合物、並びにプロピレンカーボネート及びエチレングリコールジメチルエーテル(PC及びDME)と電導度塩としてのリチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LiTFSI)との混合物である。エチレングリコールジメチルエーテルは、1,2−ジメトキシエタンとも呼ばれていることから、これに関してDMEとの略称も選択される。 Examples of liquid electrolytes are mixtures of ethylene carbonate and ethyl carbonate (EC and EMC) with lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a conductivity salt, and conductive with propylene carbonate and ethylene glycol dimethyl ether (PC and DME). It is a mixture with lithium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (LiTFSI) as a salt. Since ethylene glycol dimethyl ether is also called 1,2-dimethoxyethane, the abbreviation DME is also selected in this regard.

固体電解質の例は、ガーネット型系であり、例えば
Li7+x-yII xIII 3-xIV 2-yy V12、ここで、
IIは、二価カチオンであり、
IIIは、三価カチオンであり、
IVは、四価カチオンであり、
Vは、五価カチオンであり、
例えば、ジルコン酸リチウムランタンLi7-3xAlxLa3Zr212又はLi7-3xLa3(Ta/Nb)xZr2-x12である。更なる例は、いわゆるLiSICon結晶相Li1-x(M5+,M3+x4+2-x(PO43を有する系であり、ここで、M5+は、Ta及び/又はNbであってよく、M3+は、Al、Cr、Ga又はFeであってよく、かつM4+は、Ti、Zr、Si又はGeであってよい。硫化物系電解質の使用も可能である。
An example of a solid electrolyte is a garnet type system, for example Li 7 + xy M II x M III 3-x M IV 2- y My V O 12 , where
M II is a divalent cation,
M III is a trivalent cation,
M IV is a tetravalent cation,
M V is a pentavalent cation,
For example, lithium lanthanum zirconate Li 7-3x Al x La 3 Zr 2 O 12 or Li 7-3x La 3 (Ta / Nb ) x Zr 2-x O 12. A further example is a system with the so-called LiSICon crystalline phase Li 1-x (M 5+ , M 3+ ) x M 4 + 2-x (PO 4 ) 3 , where M 5+ is Ta and And / or Nb, M 3+ may be Al, Cr, Ga, or Fe, and M 4+ may be Ti, Zr, Si, or Ge. A sulfide-based electrolyte can also be used.

そのような系の構造及び関与する材料に関しては、Jennifer L.Schaefer,Yingying Lu,Surya S.Moganty,Praveen Agarwal,N.Jayaprakash,Lynden A.Archer,Electrolytes for high−energy lithium batteries,Appl.Nanosci.2(2012),第91頁〜第109頁、並びにDE102011013018B3,US20030205467又はUS20090317724を参照されたい。   For the structure of such systems and the materials involved, see Jennifer L. et al. Schaefer, Yingying Lu, Surya S .; Moganty, Praven Agarwal, N.M. Jayaprakash, Lynden A. et al. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), pp. 91-109, and DE 1020110113018B3, US20030205467 or US20090317724.

硫化物系は、例えばUS20050107239A1、US2009159839又はJP2008120666Aに記載されている。   Sulfide systems are described, for example, in US20050107239A1, US200915959839 or JP2000081666A.

関与する液体電解質又は固体電解質の伝導性のほかに、この2つの種類の電解質間の界面抵抗も、多層構造を有する電解質の全抵抗にとって非常に重要である。   In addition to the conductivity of the liquid or solid electrolyte involved, the interfacial resistance between the two types of electrolytes is also very important for the total resistance of an electrolyte having a multilayer structure.

いかにしてこの界面抵抗を体系的に出来る限り小さくできるかは、先行技術には見当たらない。   It is not found in the prior art how this interface resistance can be systematically made as small as possible.

EP1134758Aからは、大きな双極子モーメントを有する側鎖を持つポリマー電解質が知られている。結果生じるEP1134758A1に記載の高い比誘電率は、ポリマーマトリックス中に溶解した電導度塩のイオン伝導性を増大させる。そのうえ、この側鎖は、電極に対する界面抵抗を、液体電解質から知られているのと同じオーダーに低下させる。この理由として挙げられるのは、電極と電解質との化学的な密着がより改善されたと考えられることである。   From EP 1 347 758 A polymer electrolytes with side chains with a large dipole moment are known. The resulting high dielectric constant described in EP 1134758 A1 increases the ionic conductivity of the conductivity salt dissolved in the polymer matrix. Moreover, this side chain reduces the interfacial resistance to the electrodes to the same order as is known from liquid electrolytes. The reason for this is that the chemical adhesion between the electrode and the electrolyte is considered to be further improved.

リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム(LAGP)、リン酸リチウムアルミニウムチタン(LATP)又はリン酸リチウムチタンシリコン(LATSP)を包含し得る、イオン伝導性固体電解質を有するリチウム空気電池が、US2014/0011101A1から知られている。ジメトキシエタン(DME)が有機電解質として使用されている。   A lithium-air battery with an ion-conducting solid electrolyte, which can include lithium aluminum germanium phosphate (LAGP), lithium aluminum titanium phosphate (LATP) or lithium titanium silicon phosphate (LATSP) is known from US 2014/0011101 A1. Yes. Dimethoxyethane (DME) is used as the organic electrolyte.

固体電解質としてのLAGP及び液体電解質としてのエチレンカーボネート:ジエチレンカーボネート:エチルメチルカーボネートを1:1:1で有するリチウムイオンセルが、Tonghuan Yang,Lin Sang,Fei Ding,Jing Zhang,Xingjiang Liu著Electrochimica Acta 81,2012,第179頁〜第185頁−ISSN 0013−4686のThree−and four−electrode EIS analysis of water stable lithium electrode with solid electrolyte plateから知られている。   A lithium ion cell having a 1: 1: 1 ratio of LAGP as a solid electrolyte and ethylene carbonate: diethylene carbonate: ethyl methyl carbonate as a liquid electrolyte is an Electrochimica Acta 81 by Tonghua Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu. 2012, pp. 179-185-ISSN 0013-4686, known from the Three-and four-electrode EIS analysis of water stable lithium with solid electrolyte plate.

US2006/01334492は、2つの層を有し、その両方の層における電解質が同じである電解質を記載している。   US 2006/01334492 describes an electrolyte having two layers, the electrolyte in both layers being the same.

DE102011013018B3DE1020111013018B3 US20030205467US20030205467 US20090317724US20090331724 US20050107239A1US20050107239A1 US2009159839US2009159839 JP2008120666AJP8002206666A EP1134758AEP1134758A US2014/0011101A1US2014 / 0011101A1 US2006/01334492US2006 / 01334492

Jennifer L.Schaefer,Yingying Lu,Surya S.Moganty,Praveen Agarwal,N.Jayaprakash,Lynden A.Archer,Electrolytes for high−energy lithium batteries,Appl.Nanosci.2(2012),第91頁〜第109頁Jennifer L. Schaefer, Yingying Lu, Surya S .; Moganty, Praven Agarwal, N.M. Jayaprakash, Lynden A. et al. Archer, Electrolytes for high-energy lithium batteries, Appl. Nanosci. 2 (2012), pp. 91-109 Tonghuan Yang,Lin Sang,Fei Ding,Jing Zhang,Xingjiang Liu著Electrochimica Acta 81,2012,第179頁〜第185頁.−ISSN 0013−4686のThree−and four−electrode EIS analysis of water stable lithium electrode with solid electrolyte plateTonghuan Yang, Lin Sang, Fei Ding, Jing Zhang, Xingjiang Liu, Electrochimica Acta 81, 2012, pp. 179-185. -ISSN 0013-4686's Three-and four-electrode EIS analysis of water stable lithium with solid electolyte plate

本発明の課題は、先行技術の欠点を回避し、かつ多層構造を有する電解質において可能な限り低い界面抵抗を達成するためにいかなる条件が遵守されなければならないかを規定することである。   The object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art and to define what conditions must be observed in order to achieve the lowest possible interfacial resistance in an electrolyte with a multilayer structure.

本発明によれば、この課題は、室温領域での使用に意図される、第一の比誘電率ε1によって特徴付けられる少なくとも1つの第一の電解質層、及び第二の比誘電率ε2によって特徴付けられる少なくとも1つの更なる電解質層、並びに2つの電解質層の間の界面を含む、多層構造を有する電解質によって解決され、ここで、2つの比誘電率ε1及びε2は、α=ε1/(ε1+ε2)の基準値(measure)を規定し、かつ一方の電解質層の電解質及び他方の電解質層の電解質は、界面での基準値αが、0.244<α≦0.5、好ましくは0.371<α≦0.5、とりわけ好ましくは0.436<α≦0.5、極めて好ましくは0.475<α≦0.5、さらに好ましくは0.488<α≦0.5、さらになお好ましくは0.494<α≦0.5の範囲にあるように選択され、ここで、常に、ε1は隣接する媒質の比誘電率の低い方であり、かつε2は隣接する媒質の比誘電率の高い方である。この解決手段は、液体電解質及び/又はポリマーの組合せに限定されず、特には無機材料、例えばガラス、ガラスセラミック又は(多結晶)セラミックが含められる。とりわけ好ましいのは、α値がα≒0.5、ただし、少なくともα>0.436、とりわけα>0.488、すなわち、0.436<α≦0.5の範囲にあり、好ましくは0.488<α≦0.5である場合である。このようにほぼ等しい誘電率の場合、0.2V、とりわけ1Vの比較的大きな範囲の過電圧が、異なる電解質の界面領域において達成される。 According to the invention, this problem is solved by at least one first electrolyte layer characterized by a first dielectric constant ε 1 and a second dielectric constant ε 2 intended for use in the room temperature region. Solved by an electrolyte having a multilayer structure, including at least one further electrolyte layer characterized by: and an interface between the two electrolyte layers, where the two dielectric constants ε 1 and ε 2 are α = The standard value (measure) of ε 1 / (ε 1 + ε 2 ) is defined, and the standard value α at the interface of the electrolyte of one electrolyte layer and the electrolyte of the other electrolyte layer is 0.244 <α ≦ 0. 0.5, preferably 0.371 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.436 <α ≦ 0.5, very preferably 0.475 <α ≦ 0.5, more preferably 0.488 <α ≦ 0.5. 0.5, more preferably in the range of 0.494 <α ≦ 0.5. It is selected such, where always, epsilon 1 denotes a lower relative dielectric constant of the adjacent medium, and epsilon 2 is higher relative permittivity of the adjacent medium. This solution is not limited to combinations of liquid electrolytes and / or polymers, but in particular includes inorganic materials such as glass, glass ceramics or (polycrystalline) ceramics. Particularly preferred is an α value of α≈0.5, provided that at least α> 0.436, in particular α> 0.488, ie 0.436 <α ≦ 0.5, preferably 0. This is a case where 488 <α ≦ 0.5. With such nearly constant dielectric constants, overvoltages in the relatively large range of 0.2V, in particular 1V, are achieved in the different electrolyte interface regions.

すなわち、本発明者は、多層構造を有する電解質の場合、隣接する電極は、これらがガラス、ガラスセラミック又はセラミックを有する場合であっても、分散された電導度塩又は電導性酸化物を中に有する誘電連続体として解すことができることを見出した。このことは意想外であった。なぜなら、とりわけ部分結晶構造においては、個々の原子骨格が大きく影響するため連続体記述はできないと想定されていたからある。それゆえ、この場合、すなわち、2つの隣接する電解質の一方又は両方がガラス、ガラスセラミック又はセラミックである場合も、好ましくは、両方の電解質に同じ比誘電率の値が選択される。比誘電率は温度と周波数に依存するので、この選択は、特定の作用点若しくは作用領域、すなわち、特定の周波数及び/若しくは特定の温度又は特定の周波数領域及び/若しくは温度領域において行われる。   That is, in the case of an electrolyte having a multi-layer structure, the present inventor disposes the adjacent conductivity salt or conductive oxide in the adjacent electrode even when they have glass, glass ceramic or ceramic. It was found that it can be understood as a dielectric continuum having. This was unexpected. This is because, in particular, in the partial crystal structure, it is assumed that the continuum description cannot be made because the individual atomic skeleton greatly affects. Therefore, in this case, i.e. when one or both of the two adjacent electrolytes are glass, glass ceramic or ceramic, preferably the same dielectric constant value is selected for both electrolytes. Since the dielectric constant depends on temperature and frequency, this selection is made at a specific point of action or region, i.e. a specific frequency and / or a specific temperature or a specific frequency region and / or temperature region.

しかしながら、背景、すなわち、誘電連続体として記載されるマトリックス材料の比誘電率の周波数に依存した変化は、一般的には個々の周波数領域に限定されている。Charles Kittel著Introduction to solid−state physics,5th edition,R.Oldenbourg−Verlag Munich Vienna,1980,第441頁、並びにEkaterina I.Izgorodina,Maria Forsyth及びDouglas R.MacFarlane著“On the components of the dielectric constants of ionic liquids:ionic polarization?”,Phys.Chem.Chem.Phys.11,2452−2458(2009)から導き出すことができるように、周波数スケールを大から小に見て、まず電子分極性、すなわち、核を基準にした電子殻の変位性、それからイオン分極性、すなわち、互いに異なる符号の部分電荷を有する原子の変位、それから双極子分極性、すなわち、永久双極子の配向と、それから空間電荷分極性、すなわち、界面へのイオンの移動が比誘電率に寄与する。後者は、イオン伝導の効果であり、それゆえ上述の背景には属さない。   However, the background, ie the frequency-dependent change of the dielectric constant of the matrix material described as a dielectric continuum is generally limited to the individual frequency range. Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R.C. Oldenburg-Verlag Munich Vienna, 1980, page 441, and Ekaterina I., et al. Izgorodina, Maria Forsyth and Douglas R. MacFarlane, “The the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?”, Phys. Chem. Chem. Phys. As can be derived from 11, 452-2458 (2009), looking at the frequency scale from large to small, first the electron polarizability, ie the displaceability of the electron shell relative to the nucleus, then the ion polarizability, Displacement of atoms having partial charges with different signs, then dipole polarizability, ie, the orientation of permanent dipoles, and then space charge polarizability, ie, movement of ions to the interface, contributes to the dielectric constant. The latter is an effect of ionic conduction and therefore does not belong to the above background.

ガラス、ガラスセラミック又はセラミックから成るイオン伝導体においては、第一の2つの寄与及び最後の寄与のみが影響する。最後のものを含めないように、周波数スケールを大から小に見て、これを電子分極性もイオン分極性も考慮に入れるまで続ける。これは、赤外線領域より低い場合に当てはまる(Charles Kittel著Introduction to solid−state physic,5th edition,R.Oldenbourg−Verlag Munich Vienna,1980,第441頁、並びにEkaterina I.Izgorodina,Maria Forsyth及びDouglas R.MacFarlane著“On the components of the dielectric constants of ionic liquids:ionic polarization?”,Phys.Chem.Chem.Phys.11,第2452頁〜第2458頁(2009)を参照されたい)。比誘電率は、空間電荷効果が起こる周波数まで実質的に一定である。この値が背景の比誘電率として使用される。この場合、当然のことながら、例えば電導度塩若しくは電導性酸化物の電子分極性も含められる;しかしながら、このファクターは、電導度塩若しくは電導性酸化物なしでは容易に調製され得ないガラス、ガラスセラミック又はセラミックから成るイオン伝導体については顧みられていない。   In ionic conductors made of glass, glass ceramic or ceramic, only the first two contributions and the last contribution are affected. Do not include the last one, look at the frequency scale from large to small and continue until you take into account both electronic and ionic polarizability. This is the case below the infrared region (Charles Kittel, Introduction to solid-state physics, 5th edition, R. Oldenburg-Verlag Munich Vienna, 1980, page 441, and EkaterinaM. See MacFarlane, “On the components of the dielectric constants of ionic liquids: ionic polarization?”, Phys. Chem. Chem. Phys. 11, pages 2458 to 2458 (200). The dielectric constant is substantially constant up to the frequency at which the space charge effect occurs. This value is used as the background dielectric constant. In this case, it should be understood that the electronic polarizability of, for example, a conductivity salt or a conductive oxide is also included; however, this factor is a glass, glass that cannot be easily prepared without a conductivity salt or conductive oxide. No consideration is given to ceramic or ceramic ionic conductors.

電導度塩若しくは電導性酸化物なしで調製され得る液体電解質又はポリマー電解質の場合、(上から下まで計算して)双極子分極性が“現れる”周波数領域より下で見出される実質的に一定の値が、比誘電率として使用される。電導度塩若しくは電導性酸化物なしでは調製され得ないポリマー電解質の場合、(上から下まで計算して)双極子分極性が“現れる”周波数領域と、空間電荷分極性の発生との間の、時に狭い周波数窓を用いなければならない。   In the case of liquid electrolytes or polymer electrolytes that can be prepared without conducting salts or conducting oxides, a substantially constant found below the frequency region where dipole polarizability "appears" (calculated from top to bottom). The value is used as the dielectric constant. In the case of polymer electrolytes that cannot be prepared without a conductivity salt or conducting oxide, between the frequency range where the dipole polarizability “appears” (calculated from top to bottom) and the occurrence of space charge polarizability. Sometimes, a narrow frequency window must be used.

比誘電率が等しい本発明による理想的なケースが界面の両側で存在する場合、初めに、電荷輸送を担うイオン、例えばリチウムイオン電池の場合にはリチウムイオンのエネルギー準位が両側で測定されることができる。   When the ideal case according to the invention with equal dielectric constants exists on both sides of the interface, first the energy level of the ions responsible for charge transport, for example lithium ions in the case of lithium ion batteries, is measured on both sides. be able to.

これらのイオンのエネルギー準位が誘電体によってのみ測定され、かつ他のイオン、とりわけ対イオンとの相互作用を顧みる必要がないことを前提にして、電荷輸送を担うイオンはまた、界面の両側で、外部電圧がなくかつ両側で活性が等しい場合には同じエネルギー準位にあり、これ自体は溶媒和自由エンタルピーのBorn式によって近似的に測定される。これに関しては、M.Born,Volume and hydration heat of ions,Zeitschrift fuer Physik,No.1,第45頁〜第48頁(1920)を参照されたい。そして、この内容全体を参照によって本出願に取り込んだものとする。   Given that the energy levels of these ions are measured only by dielectrics and do not need to look into interactions with other ions, especially counterions, the ions responsible for charge transport are also on both sides of the interface. In the absence of an external voltage and equal activity on both sides, they are at the same energy level, which is approximately measured by the Born equation of solvation free enthalpy. In this regard, M.M. Born, Volume and hydration heat ofions, Zeitshift fuel Physik, No. 1, pages 45-48 (1920). This entire content is incorporated herein by reference.

多層電解質層に(例えば外側から)付加的な電位差が発生させられる場合、K.Aoki,Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation,Electrochimica Acta 41, No.14,第2321頁〜第2327頁(1996)によれば、この結果、電圧は、薄い境界層においては界面の両側で低下し、かつそこで界面抵抗に対して反比例のイオン輸送を引き起こす。   If an additional potential difference is generated in the multilayer electrolyte layer (eg from the outside), K.I. Aoki, Theory of the transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by means of the Langevin equation, Electro41. 14, pages 2321 to 2327 (1996), this results in the voltage dropping on both sides of the interface in a thin boundary layer and causing ion transport that is inversely proportional to the interface resistance.

比誘電率の連続性が境界層の領域中で適用される場合、界面で電場の不連続性が生じず、これは最小限の界面抵抗にとって好都合である。これに関しては、上記で引用したK.Aokiを参照されたい。理想的なケースにおいては、多層構造を有する電解質の場合、異なる電解質、例えば液体電解質と固体電解質の組合せ物が選択され、ここで、全ての2つの(又は異なる液体電解質が用いられる場合には3つの)関与する材料の比誘電率は同じである。比誘電率の測定は、例えば、Agilent,Sant Clara,California USAの2008年10月28日付けApplication Note 1369−1”に従って行うことができる。この文献の開示内容全体を参照によって本出願に取り込んだものとする。   If the dielectric constant continuity is applied in the region of the boundary layer, there will be no electric field discontinuities at the interface, which is advantageous for minimal interface resistance. In this regard, K., cited above. See Aoki. In an ideal case, in the case of an electrolyte having a multilayer structure, different electrolytes are selected, for example a combination of liquid and solid electrolytes, where all two (or three if different liquid electrolytes are used). The relative permittivity of the materials involved is the same. The measurement of the dielectric constant can be performed, for example, according to Application Note 1369-1 "dated October 28, 2008 by Agilent, Sant Clara, California USA. The entire disclosure of this document is incorporated herein by reference. Shall.

比誘電率若しくは誘電率の一致度の基準として、本発明による基準値α

Figure 0006173381
が用いられる。本発明によれば、ε1は、2つの関与する比誘電率の低い方であり、ε2は、高い方である。ε1及びε2が一致する理想的なケースにおいては、基準値α=1/2が当てはめられ、ε1及びε2が異なる場合、αはより小さくなる。 The reference value α according to the present invention is used as a reference for the relative permittivity or the degree of coincidence of permittivity
Figure 0006173381
Is used. According to the present invention, ε 1 is the lower of the two dielectric constants involved, and ε 2 is the higher. In the ideal case where ε 1 and ε 2 match, the reference value α = ½ is fitted, and α is smaller when ε 1 and ε 2 are different.

とりわけ好ましいのは、第一と第二の比誘電率ε1、ε2を有する材料が、異なる材料、好ましくは固体電解質と液体電解質とであることである。 Particularly preferred is that the materials having the first and second dielectric constants ε 1 and ε 2 are different materials, preferably a solid electrolyte and a liquid electrolyte.

界面を通じて電流を得るために、例えばK.Aoki,Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation,Electrochimica Acta 41,Nr.14,第2321頁〜第2327頁(1996)に開示されているように、バトラー・ホルマー式を考察する。この文献の開示内容全体を参照によって本出願に取り込んだものとする。そのとき界面を通じての電流に当てはめられるのは、

Figure 0006173381
[式中、電流密度j0は、なかでも電荷担体密度及び(指数関数的に)温度に依存する定数である]である。それゆえ、これに関しては、K.Aoki,Theory of the ion transfer kinetics at a viscous immiscible liquid/liquid interface by means of the Langevin equation,Electrochimica Acta 41,Nr.14,第2321頁〜第2327頁(1996)を参照されたい。場が外側からかけられず、かつ(エネルギー準位及び活性が両側で等しいことが必ずしも当てはまらない一般的なケースにおいて)電荷担体の拡散によってのみ電圧が生じる場合、ζは、界面での正規化された電圧であり、かつζeqは、正規化された電圧がとるその平衡値である。差ζ−ζeqは、正規化された過電圧である。界面での正規化された電圧に当てはめられるのは、
Figure 0006173381
[式中、zは、電荷担体の電荷数である]である。本例においては、z=1である。Fは、ファラデー定数、Rは、気体定数、Tは、絶対温度であり、かつφ1,2は、2つの隣接する媒質の電位差である。過電圧(φ1−φ2)−(φ1−φ2eqは、正規化された過電圧から
Figure 0006173381
として得られる。 In order to obtain a current through the interface, for example K.K. Aoki, Theory of the transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by men of the Langevinequation, Electro41. 14, pages 2321 to 2327 (1996), consider the Butler-Holmer equation. The entire disclosure of this document is incorporated herein by reference. It is then applied to the current through the interface
Figure 0006173381
[Wherein the current density j 0 is a constant depending on the charge carrier density and (exponentially) temperature, among others]. Therefore, in this regard, K.K. Aoki, Theory of the transfer kinetics at a viscous immiscible liquid / liquid interface by men of the Langevinequation, Electro41. 14, pages 2321 to 2327 (1996). If the field is not applied from the outside and the voltage is generated only by charge carrier diffusion (in the general case where the energy levels and activities are not necessarily equal on both sides), ζ is normalized at the interface Is the voltage, and ζ eq is its equilibrium value taken by the normalized voltage. The difference ζ−ζ eq is the normalized overvoltage. What is applied to the normalized voltage at the interface is
Figure 0006173381
[Wherein z is the number of charges on the charge carrier]. In this example, z = 1. F is the Faraday constant, R is the gas constant, T is the absolute temperature, and φ 1,2 is the potential difference between two adjacent media. Overvoltage (φ 1 −φ 2 ) − (φ 1 −φ 2 ) eq is calculated from normalized overvoltage
Figure 0006173381
As obtained.

指数方程式(2)は、例えば二次の項まで展開することができる。   The exponential equation (2) can be expanded to a quadratic term, for example.

この場合、

Figure 0006173381
となる。 in this case,
Figure 0006173381
It becomes.

比誘電率ε1、ε2が一致する場合においては、基準値α=1/2が当てはめられ、かつオームの法則がj0・zF/(RT)により界面導電性として若しくは逆数が特定の界面抵抗として得られる。ε1がε2と異なる場合、つまり、もはやα=1/2が当てはまらず、それゆえ0とは異なる付加的な項によって、過電圧の符号に応じて、α=1/2の場合と比べて増大した又は減少した電流、すなわち、低下した若しくは増大した有効な界面抵抗が得られる(有効な界面抵抗とは、線形関係を配慮せずに出される過電圧と電流との商と呼ぶ)。したがって、ζ−ζeqに対する曲線jの線形領域は減少させられる。例えば真ん中に固体電解質と両側に2つの液体電解質とを有する3層構造を考慮すると、いずれの場合においても、2つの界面の一方で増大した有効な界面抵抗が生じる。効力がどの程度の大きさであるのかは、電圧との関係に依存し、すなわち、そのつどの過電圧がどの程度まで線形領域からはみ出しているのかに依存する。3層構造に十分大きな電圧をかけた場合、界面での増大した有効な界面抵抗は、構造全体の増大した有効な抵抗として表される。さらに、線形領域の広がりは温度に依存することもわかっている。温度が高くなればなるほど、(5)における二次項は線形項と比べて小さくなる。 When the relative dielectric constants ε 1 and ε 2 coincide with each other, the reference value α = 1/2 is applied, and the Ohm's law is defined as interfacial conductivity by j 0 · zF / (RT) or the reciprocal is a specific interface. Obtained as resistance. If ε 1 is different from ε 2 , ie α = 1/2 no longer applies, and therefore, depending on the sign of the overvoltage, α = 1/2 compared to the case of α = 1/2, depending on the sign of the overvoltage. Increased or decreased current, i.e. reduced or increased effective interfacial resistance is obtained (effective interfacial resistance is referred to as the quotient of overvoltage and current produced without regard to the linear relationship). Therefore, the linear region of curve j with respect to ζ-ζ eq is reduced. For example, considering a three-layer structure with a solid electrolyte in the middle and two liquid electrolytes on both sides, in either case, an increased effective interfacial resistance occurs at one of the two interfaces. The magnitude of the effectiveness depends on the relationship with the voltage, i.e. on how far each overvoltage protrudes from the linear region. When a sufficiently large voltage is applied to the three-layer structure, the increased effective interface resistance at the interface is expressed as an increased effective resistance of the entire structure. Furthermore, it has been found that the extent of the linear region is temperature dependent. The higher the temperature, the smaller the quadratic term in (5) compared to the linear term.

測定された界面抵抗には、この場合、j0の上記温度依存性が影響する。 In this case, the measured temperature dependence of j 0 affects the measured interface resistance.

線形動作領域の境界を特徴付ける上界として、等式(5)の右側で一次の項と二次の項とが相対して作用するとき、jがζ−ζeqに依存して最大値に達するケースが想定される。値(ファラデー定数96485C/mol、気体定数8,314J/(mol K))を当てはめることで、このケースにおける過電圧とαとの間で関係が生じる:

Figure 0006173381
As the upper bound characterizing the boundary of the linear motion region, j reaches the maximum value depending on ζ-ζ eq when the first and second order terms act on the right side of equation (5). A case is assumed. By fitting the values (Faraday constant 96485 C / mol, gas constant 8,314 J / (mol K)), a relationship arises between overvoltage and α in this case:
Figure 0006173381

T=室温では、以下のようになる。   At T = room temperature:

Figure 0006173381
Figure 0006173381

これは、比誘電率が大きく異なり、したがってα<<0.5の場合には、僅かな線形領域のみが可能であることを意味している。過電圧に対する電流密度jの線形依存性が存在している場合、1V以上のこの過電圧の線形領域において、α≒0.5の値、一方で少なくともα>0.488であり、ひいてはε1はε2にほぼ等しい。 This means that the dielectric constants are very different and therefore only a small linear region is possible when α << 0.5. If there is a linear dependence of the current density j on the overvoltage, in this overvoltage linear region above 1 V, a value of α≈0.5, while at least α> 0.488, and thus ε 1 is ε Nearly equal to 2 .

測定技術により、すなわち、インピーダンス分光法により、この界面抵抗を突き止めることができる。インピーダンス分光法においては、界面インピーダンスを求めることができる。なぜなら、界面インピーダンスは、それと関連した高い静電容量に基づき、バルクインピーダンス(volume impedances)とは切り離されるからである。   This interfacial resistance can be ascertained by measurement techniques, ie by impedance spectroscopy. In impedance spectroscopy, the interface impedance can be determined. This is because the interfacial impedance is based on the high capacitance associated with it and is separated from the volume impedances.

それゆえ、本発明によれば、室温領域での使用に意図される、比誘電率ε1によって特徴付けられる少なくとも1つの第一の電解質層、及び比誘電率ε2によって特徴付けられる少なくとも1つの更なる電解質層を含む、多層構造を有する電解質が提供され、これは、界面での基準値αが、0.244<α≦0.5、好ましくは0.371α≦0.5、とりわけ好ましくは0.436<α≦0.5、さらに好ましくは0.475<α≦0.5、とりわけ好ましくは0.488<α≦0.5、さらになお好ましくは0.49<α≦0.5の範囲にあるように、一方の電解質層の電解質及び他方の電解質層の電解質が選択され、ここで、常に、ε1は隣接する媒質の比誘電率の高い方であり、かつε2は隣接する媒質の比誘電率の高い方であることを特徴としている。電解質が、多数の電解質層を多数の界面とともに含み、ここで、各界面が比誘電率を有する場合、多数の各界面について規定された基準値αn=ε1n/(ε1n+ε2n)には、αn値が予め規定された範囲にあるという要件が課せられる。極めて好ましいのは、α値が0.436<α≦0.5、とりわけ0.488<α≦0.5の範囲にある場合である。そのような場合、界面領域中で過電圧の比較的大きな線形領域が得られ、ここで、過電圧は、0.2V、好ましくは1Vまでで推移する。 Therefore, according to the present invention, at least one first electrolyte layer characterized by a dielectric constant ε 1 and at least one characterized by a dielectric constant ε 2 intended for use in the room temperature region. An electrolyte having a multilayer structure is provided, comprising a further electrolyte layer, which has a reference value α at the interface of 0.244 <α ≦ 0.5, preferably 0.371α ≦ 0.5, particularly preferably 0.436 <α ≦ 0.5, more preferably 0.475 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.488 <α ≦ 0.5, still more preferably 0.49 <α ≦ 0.5. The electrolyte of one electrolyte layer and the electrolyte of the other electrolyte layer are selected to be in range, where ε 1 is always the higher of the relative permittivity of the adjacent medium and ε 2 is adjacent It is characterized by the higher relative dielectric constant of the medium To have. When the electrolyte includes a large number of electrolyte layers together with a large number of interfaces, where each interface has a dielectric constant, the reference value α n = ε 1n / (ε 1n + ε 2n ) defined for each of the large numbers of interfaces. Imposes a requirement that the α n value be in a predefined range. Highly preferred is when the α value is in the range of 0.436 <α ≦ 0.5, in particular 0.488 <α ≦ 0.5. In such a case, a linear region with a relatively large overvoltage is obtained in the interface region, where the overvoltage transitions up to 0.2V, preferably up to 1V.

少なくとも−40℃〜+85℃、好ましくは−70℃〜+100℃の温度領域にわたる可能な限り大きな線形動作領域を提供するために、温度依存性の値αnは、−40℃〜85℃、すなわち、258K〜383K、好ましくは−70℃〜+100℃、すなわち、228K〜398Kの温度領域において、0.05Vまで、好ましくは0.1Vまで、とりわけ好ましくは0.2Vまで、極めて好ましくは0.5Vまで、さらに好ましくは1Vまで、さらになお好ましくは2Vまでの必要とされる線形領域を当てはめることによって(6)からもたらされる不等式0.5−0.256*T/298K<αn≦0.5、好ましくは0.5−0.128*T/298K<αn≦0.5、とりわけ好ましくは0.5−0.064*T/298K<αn≦0.5、極めて好ましくは0.5−0.025*T/298K<αn≦0.5、さらに好ましくは0.5−0.012*T/298K<αn≦0.5、さらになお好ましくは0.5−0.006*T/298K<αn≦0.5を満たすことが定められる。この場合、Tは、前で示される温度領域中でKに当てはめられる。この要件は、温度領域にのみ課せられるものではなく、電気化学貯蔵エネルギーデバイスが用いられることが予定される周波数領域にも課せられる。なぜなら、比誘電率は、前で説明した通り、周波数にも依存するからである。 In order to provide the largest possible linear operating range over the temperature range of at least −40 ° C. to + 85 ° C., preferably −70 ° C. to + 100 ° C., the temperature dependent value α n is −40 ° C. to 85 ° C., ie 258 K to 383 K, preferably −70 ° C. to + 100 ° C., ie in the temperature range of 228 K to 398 K, up to 0.05 V, preferably up to 0.1 V, particularly preferably up to 0.2 V, very particularly preferably 0.5 V Inequality 0.5-0.256 * T / 298K <α n ≦ 0.5 resulting from (6) by fitting the required linear region up to, more preferably up to 1V, and even more preferably up to 2V , Preferably 0.5-0.128 * T / 298K <α n ≦ 0.5, particularly preferably 0.5-0.064 * T / 298K <α n ≦ 0 0.5, very preferably 0.5-0.025 * T / 298K <α n ≦ 0.5, more preferably 0.5-0.012 * T / 298K <α n ≦ 0.5, still more preferably Is defined to satisfy 0.5−0.006 * T / 298K <α n ≦ 0.5. In this case, T is applied to K in the temperature range indicated above. This requirement is not only imposed in the temperature region, but also in the frequency region where electrochemical storage energy devices are expected to be used. This is because the relative permittivity also depends on the frequency as described above.

とりわけ好ましいのは、第一の比誘電率ε1を有する第一の電解質が固体電解質であり、かつ第二の比誘電率ε2を有する別の電解質が液体電解質である場合である。 Particularly preferred is the case where the first electrolyte having the first relative dielectric constant ε 1 is a solid electrolyte and the other electrolyte having the second relative dielectric constant ε 2 is a liquid electrolyte.

固体電解質として、好ましくは無機材料、とりわけガラス材料又はセラミック材料、とりわけガラスセラミック材料、又は導電性充填剤、とりわけ本発明によるガラス又は本発明によるガラスセラミック若しくはセラミックから成る粉末又は顆粒を備えたポリマーが用いられる。   The solid electrolyte is preferably a polymer with an inorganic material, in particular a glass material or a ceramic material, in particular a glass ceramic material, or a conductive filler, in particular a glass according to the invention or a powder or granules of the glass ceramic or ceramic according to the invention. Used.

とりわけ電気化学貯蔵デバイスの領域での適用のために極めて好ましいのは、Liを含む固体電解質、例えばリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、ジルコン酸リチウムランタン又はLiSICon結晶相を有する系、すなわち、リチウム超イオン伝導体(LiSICon)結晶相を有する系である。   Highly preferred especially for applications in the area of electrochemical storage devices is a solid electrolyte containing Li, for example a system having a lithium aluminum germanium phosphate, lithium lanthanum zirconate or LiSICon crystalline phase, ie a lithium superionic conductor (LiSICon) is a system having a crystal phase.

液体電解質として、好ましくは1種以上の非水系溶媒の混合物、とりわけ少なくとも1種のフッ化物系の電導度塩、好ましくはLiPF6を有するカーボネート系溶媒が使用される。例示的な溶媒として、例えばエチレンカーボネート、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ビニレンカーボネート(VC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、酢酸エチル(EA)、1,3−ジオキソラン(DOL)、テトラヒドロフラン(THF)、テトラ(エチレングリコール)−ジメチルエーテル(TEGDME)、トリ(エチレングリコール)ジメチル(TEGD)が考慮に入れられる。溶媒は、単独で又は適した混合物として使用されることができる。例示的な混合物は、50/50(質量%)の比におけるEC/DMC又はEC対(DMC+EMC)の比<1を有する電解質混合物である。LiPF6は、単独で又は他の電導度塩と組み合わせて使用されることができる。電導度塩は、例示的に、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C654、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CH32、LiC(SO2CF33、LiAlCl4、LiSiF6Li[(OCO)22B、LiDFOB、LiCl及びLiBrを含む。 As the liquid electrolyte, preferably a mixture of one or more non-aqueous solvents, in particular a carbonate-based solvent with at least one fluoride-based conductivity salt, preferably LiPF 6 is used. Exemplary solvents include, for example, ethylene carbonate, butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), vinylene carbonate (VC), methyl ethyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane (DME). 1,2-diethoxyethane (DEE), γ-butyrolactone (γ-BL), sulfolane, acetonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), ethyl acetate (EA), 1, 3-dioxolane (DOL), tetrahydrofuran (THF), tetra (ethylene glycol) -dimethyl ether (TEGDME), tri (ethylene glycol) dimethyl (TEGD) are taken into account. The solvents can be used alone or as a suitable mixture. An exemplary mixture is an electrolyte mixture having an EC / DMC or EC to (DMC + EMC) ratio <1 in a 50/50 (mass%) ratio. LiPF 6 can be used alone or in combination with other conductivity salts. Examples of the conductivity salt include LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CH 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 Li [(OCO) 2 ] 2 B, LiDFOB, LiCl and LiBr.

非水系溶媒に対するLiPF6又は電導度塩の混合物の濃度は制限されていないが、好ましくは、0.1M(mol/dm3)〜5.0M(mol/dm3)、好ましくは0.5M(mol/dm3)〜3.0M(mol/dm3)の範囲にある。 The concentration of the LiPF 6 or conductivity salt mixture relative to the non-aqueous solvent is not limited, but is preferably 0.1 M (mol / dm 3 ) to 5.0 M (mol / dm 3 ), preferably 0.5 M ( mol / dm 3 ) to 3.0 M (mol / dm 3 ).

多層構造及び最小限にされた界面抵抗を有する電解質のほかに、本発明は、比誘電率ε1によって特徴付けられる少なくとも1つの第一の電解質層及び比誘電率ε2によって特徴付けられる少なくとも1つの更なる電解質層を有する多層構造を持つ本発明による電解質を含む電気化学貯蔵デバイス、とりわけバッテリーセルも記載し、ここで、比誘電率は、0.244〜0.5の基準値αの示される範囲にある。 In addition to the electrolyte with interfacial resistance to the multilayer structure and the minimum, the present invention is at least characterized by at least one first electrolyte layer and the dielectric constant epsilon 2 characterized by the dielectric constant epsilon 1 1 Also described is an electrochemical storage device, in particular a battery cell, comprising an electrolyte according to the invention having a multilayer structure with two further electrolyte layers, where the relative dielectric constant exhibits a reference value α of 0.244 to 0.5. It is in the range.

とりわけ好ましいのは、全体として3つの電解質層を含む、すなわち、2つの液体電解質層並びにこれらの液体電解質層の間に配置された固体電解質層を含む電気化学貯蔵デバイスであって、ここで、3つの電解質層の比誘電率ε1、ε2並びにε3は、それらがほぼ一致し、ひいては可能な限り大きな線形動作領域並びに最小限にされた界面抵抗を有する電気化学貯蔵デバイスが提供されるように選択されている。 Particularly preferred is an electrochemical storage device comprising a total of three electrolyte layers, ie two liquid electrolyte layers and a solid electrolyte layer disposed between these liquid electrolyte layers, wherein 3 The dielectric constants ε 1 , ε 2 and ε 3 of the two electrolyte layers are such that they are approximately matched, thus providing an electrochemical storage device having the largest possible linear operating region and minimized interface resistance. Is selected.

以下では、本発明を、実施例並びに図面に基づき詳細に説明するが、これらに限定されない。   Below, although this invention is demonstrated in detail based on an Example and drawing, it is not limited to these.

固体電解質としてリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウムガラスセラミックを使用し、かつ液体電解質としてプロピレンカーボネート(PC)又は1,2−ジメトキシエタン(DME)を−40℃で用いた、多層構造を有する電解質のナイキスト線図を示す図Nyquist diagram of an electrolyte having a multilayer structure using lithium aluminum germanium glass ceramic as a solid electrolyte and propylene carbonate (PC) or 1,2-dimethoxyethane (DME) at −40 ° C. as a liquid electrolyte Figure showing 固体電解質としてリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウムガラスセラミックを使用し、かつ液体電解質としてプロピレンカーボネート(PC)又は1,2−ジメトキシエタン(DME)を−20℃で用いた、多層構造を有する電解質のナイキスト線図を示す図Nyquist diagram of an electrolyte having a multilayer structure using lithium aluminum germanium glass ceramic as a solid electrolyte and propylene carbonate (PC) or 1,2-dimethoxyethane (DME) at −20 ° C. as a liquid electrolyte Figure showing 固体電解質としてリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウムガラスセラミックを使用し、かつ液体電解質としてプロピレンカーボネート(PC)又は1,2−ジメトキシエタン(DME)を0℃で用いた、多層構造を有する電解質のナイキスト線図を示す図A Nyquist diagram of an electrolyte having a multilayer structure using lithium aluminum germanium phosphate glass ceramic as a solid electrolyte and propylene carbonate (PC) or 1,2-dimethoxyethane (DME) as a liquid electrolyte at 0 ° C. Illustration 固体電解質としてリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウムガラスセラミックを使用し、かつ液体電解質としてプロピレンカーボネート(PC)又は1,2−ジメトキシエタン(DME)を20℃で用いた、多層構造を有する電解質のナイキスト線図を示す図A Nyquist diagram of an electrolyte having a multilayer structure using lithium aluminum germanium phosphate glass ceramic as a solid electrolyte and propylene carbonate (PC) or 1,2-dimethoxyethane (DME) at 20 ° C. as a liquid electrolyte. Illustration

図1a〜1dには、実施形態として、リン酸リチウムアルミニウムゲルマニウムガラスセラミック(LAGP)と液体電解質(あるときはPCで、あるときはDME)との2つの組合せ物を示している。これは、3層構造を含み、ここで、固体電解質LAGPは、2つの同じ液体電解質−一つのケースではPC、別のケースではDME−の間に配置されている。電導度塩は、いずれのケースにおいてもLiTFSl(溶媒1kg当たり1mol)である。Novocontrol社のAlpha analyzer(周波数領域0.01Hz〜20MHz)を用いた複素インピーダンスの測定(固体電解質の一方の側と他方の側での2つの液体電解質ゾーンにおける、そのつど2つの測定電極を用いた4点測定)により、多層構造を有する電解質について、固体電解質の体積抵抗並びに界面抵抗の発生及び大きさを調べた。4点測定の原理は、Mirko Hofmann,Integrated impedance spectroscopy of aerobic cell cultures in biotechnological high throughput screenings,thesis,RWTH Aachen,Faculty for Electrical Engineering and Information Technology,2009を参照されたい。   In FIGS. 1 a-1 d, two combinations of lithium aluminum germanium glass ceramic (LAGP) and liquid electrolyte (PC in some cases, DME in other cases) are shown as embodiments. This includes a three-layer structure, where the solid electrolyte LAGP is placed between two identical liquid electrolytes—in one case PC and in another case DME—. The conductivity salt is LiTFSl (1 mol per kg of solvent) in any case. Measurement of complex impedance using Novocontrol's Alpha analyzer (frequency range 0.01 Hz to 20 MHz) (using two measuring electrodes in two liquid electrolyte zones on one side and the other side of the solid electrolyte) With respect to the electrolyte having a multilayer structure, the generation and the magnitude of the volume resistance and interface resistance of the solid electrolyte were examined by the four-point measurement). The principle of the four-point measurement, like Mirko Hofmann, Integrated impedance spectroscopy of aerobic cell cultures in biotechnological high throughput screenings, thesis, RWTH Aachen, reference is made to the Faculty for Electrical Engineering and Information Technology, 2009.

プロピレンカーボネート(PC)の比誘電率は64.4である。これに関しては、Fujinaga,K.Izutsu,“Propylene Carbonate purification and tests for purity,Pure and Applied Chemistry 27 No.1(1971),第273頁〜第280頁”を参照されたい。そして、この内容全体を参照によって本出願に取り込んだものとする。1,2−ジメトキシメタン(DME)の比誘電率は7.2である。これに関しては、R.Montadi,M.Matsu,I.S.Arthur,S.−J.Hwang,“Magnesium Borohydride:From Hydrogen Storage to Magnesium Battery”,Angewandte Chemie International Edition 51,No.39(2012),第9780頁〜第9783頁を参照されたい。そしてまた、この内容全体を参照によって本出願に取り込んだものとする。   The relative dielectric constant of propylene carbonate (PC) is 64.4. In this regard, Fujinaga, K. et al. See Izutsu, “Propylene Carbonation and Tests for Purity, Pure and Applied Chemistry 27 No. 1 (1971), pp. 273-280”. This entire content is incorporated herein by reference. The relative dielectric constant of 1,2-dimethoxymethane (DME) is 7.2. In this regard, R.A. Montadi, M .; Matsu, I. et al. S. Arthur, S .; -J. Hwang, “Magnesium Boroidide: From Hydrogen Storage to Magnesium Battery”, Agewandte Chemie International Edition 51, No. 1 39 (2012), pages 9780 to 9783. This entire content is also incorporated into the present application by reference.

指数的に温度とともに下がる界面抵抗の温度依存性に鑑みて、ナイキスト線図をもたらす周波数に依存した測定は、異なる温度で実施する(40℃、−20℃、0℃、20℃、1a〜dの図を参照されたい)。一番低い−40℃の温度は、−40℃〜85℃の自動車領域での適用のために重要な温度スケールの下限値である。1つの液体電解質層/1つの固体電解質層/1つの液体電解質層を有する電解質のサンプル寸法は、高さ2mmかつ直径7.65mmである。   In view of the temperature dependence of the interfacial resistance which decreases exponentially with temperature, the frequency dependent measurements that lead to the Nyquist diagram are carried out at different temperatures (40 ° C., −20 ° C., 0 ° C., 20 ° C., 1a-d Please refer to the figure below). The lowest temperature of -40 ° C is an important lower limit of the temperature scale for applications in the automotive range of -40 ° C to 85 ° C. The sample dimensions of an electrolyte with one liquid electrolyte layer / one solid electrolyte layer / one liquid electrolyte layer are 2 mm high and 7.65 mm in diameter.

−40℃で測定した軌跡1(ナイキスト線図)は、高い周波数にて2つの強く重なり合う半円10、12並びに低い周波数にて他の2つからより強く隔たった半円14.1(液体電解質DME)、14.2(液体電解質PC)を示す。測定電圧は0.1Vである。   Trajectory 1 (Nyquist diagram) measured at −40 ° C. shows two strongly overlapping semicircles 10 and 12 at high frequencies and a semicircle 14.1 (liquid electrolyte) more strongly separated from the other two at low frequencies. DME), 14.2 (liquid electrolyte PC). The measurement voltage is 0.1V.

ナイキスト線図による評価から、これら3つの半円について以下の抵抗値若しくはキャパシタンス値が得られる。   From the evaluation by the Nyquist diagram, the following resistance values or capacitance values are obtained for these three semicircles.

Figure 0006173381
Figure 0006173381

第三の半円14.1、14.2は、界面抵抗を表す。液体電解質DME/固体電解質LAGP/液体電解質DME(軌跡100)及び液体電解質PC/固体電解質LAGP/液体電解質PC(軌跡200)の組合せに関する図1a−1dにおけるナイキスト線図の異なる軌跡から導き出せるように、軌跡200は、より強く隔たった半円14.2を有し、つまりは高い界面抵抗を有し、軌跡100より電流を低減させる作用が強い。これは、本発明によりパラメーターαでも表される。したがって、DME/LAGPの電解質ペアについては、α=0.395が得られる。PC/LAGPの電解質ペアについては、α=0.145が得られる。1つ目のケースでは、αは0.5に近く、ひいては線形領域にあり、2つ目のケースでは、それよりずっと下にある。界面抵抗は、とりわけPC/LAGPの不適格なケースではひどく高められる。   The third semicircles 14.1, 14.2 represent the interface resistance. As can be derived from the different trajectories of the Nyquist diagram in FIGS. 1a-1d for the combination of liquid electrolyte DME / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte DME (trajectory 100) and liquid electrolyte PC / solid electrolyte LAGP / liquid electrolyte PC (trajectory 200), The locus 200 has a semicircle 14.2 that is more strongly separated, that is, has a higher interface resistance, and has a stronger effect of reducing the current than the locus 100. This is also represented by the parameter α according to the invention. Thus, α = 0.395 is obtained for the DME / LAGP electrolyte pair. For the PC / LAGP electrolyte pair, α = 0.145 is obtained. In the first case, α is close to 0.5 and thus in the linear region, and in the second case it is much lower. The interfacial resistance is severely increased, especially in cases where PC / LAGP is ineligible.

本発明により比誘電率が適合させられている場合−これは、本ケースにおいては、液体電解質を固体電解質に適合させ、かつ適した溶媒、すなわち、固体電解質LAGPに対してDMEを選択することによって達成される−、低い界面抵抗が得られる。これは、0.5に近いα値によって表される。   When the dielectric constant is adapted according to the present invention-this is in this case by adapting the liquid electrolyte to the solid electrolyte and selecting DME for a suitable solvent, ie the solid electrolyte LAGP. Achieved-low interfacial resistance is obtained. This is represented by an α value close to 0.5.

さらに別の実施形態−ただし、ナイキスト線図は得られなかった−においては、固体電解質はLLZO(ジルコン酸リチウムランタン)である。固体電解質LLZOの比誘電率の値は22.4である。αを本発明による範囲に調整するために、液体電解質として、溶媒としてのPCとDMEとの混合物が選択され、かつ比誘電率は22.4に調整される。混合物の比誘電率は、モル分率で重み付けされた個々の誘電率の平均である。   In yet another embodiment, although no Nyquist diagram was obtained, the solid electrolyte is LLZO (lithium lanthanum zirconate). The value of the relative dielectric constant of the solid electrolyte LLZO is 22.4. In order to adjust α to the range according to the invention, a mixture of PC and DME as solvent is selected as the liquid electrolyte, and the dielectric constant is adjusted to 22.4. The relative dielectric constant of the mixture is the average of the individual dielectric constants weighted by the mole fraction.

それゆえに、PCとDMEとの混合物は、0.266部若しくは26.6モル%のPCと、0.734部若しくは73.4モル%のDMEとから成る。なぜなら、0.266*64.4+0.734*7.2=22.4であるからである。この代わりに、例えば28モル%のPCと72モル%のDMEとを混ぜた場合、23.216の液体電解質の比誘電率が得られる。そのときα値は0.491である。更なる例として35モル%のPCと65モル%のDMEとを混ぜた場合、27.22の液体電解質の比誘電率が得られる。そのときα値は0.451である。 Therefore, the mixture of PC and DME consists of 0.266 parts or 26.6 mol% PC and 0.734 parts or 73.4 mol% DME. This is because 0.266 * 64.4 + 0.734 * 7.2 = 22.4. Instead, for example, when 28 mol% PC and 72 mol% DME are mixed, a liquid electrolyte relative dielectric constant of 23.216 is obtained. At that time, the α value is 0.491. As a further example, when 35 mole% PC and 65 mole% DME are mixed, a liquid electrolyte dielectric constant of 27.22 is obtained. At that time, the α value is 0.451.

逆に固体電解質の比誘電率を液体電解質に適合させる場合、これは適切な固体電解質の選択によって行う。   Conversely, when the relative permittivity of the solid electrolyte is adapted to the liquid electrolyte, this is done by selecting an appropriate solid electrolyte.

本発明により、部分結晶性の固体電解質においても、液体電解質に対する界面抵抗を比誘電率の単純な適合によって最小限にすることができるという、実施態様から認められることができる意想外の結果が得られる。   The present invention provides an unexpected result that can be seen from the embodiment that even in a partially crystalline solid electrolyte, the interfacial resistance to the liquid electrolyte can be minimized by simple adaptation of the dielectric constant. It is done.

本発明により初めて比誘電率の範囲が示されるが、この範囲内で、多層電解質において界面抵抗が最小限にされ、かつ、とりわけ−40℃〜+85℃の広い温度範囲にわたって電圧をかけた場合に、界面を通じての電流プロファイルの線形挙動が電圧に依存するものとして期待され得る。
以下に本発明の実施態様を記載する:
[実施態様1]
− 第一の比誘電率ε 1 によって特徴付けられる少なくとも1つの第一の電解質層;
− 第二の比誘電率ε 2 によって特徴付けられる少なくとも1つの第二の電解質層;
− 前記第一の電解質層と前記第二の電解質層との界面
を含む、多層構造を有する電解質において、
− 前記第一の比誘電率ε 1 及び前記第二の比誘電率ε 2 は、基準値α

Figure 0006173381
を規定し、並びに
− 前記第一の電解質層の電解質及び前記第二の電解質層の電解質は、前記界面での前記基準値αが、0.244<α≦0.5、好ましくは0.371<α≦0.5、とりわけ好ましくは0.436<α≦0.5、さらに好ましくは0.475<α≦0.5、殊に好ましくは0.488<α≦0.5、さらになお好ましくは0.494<α≦0.5の範囲にあるように選択され、ここで、常に、ε 1 は隣接する媒質の比誘電率の低い方であり、かつε 2 は隣接する媒質の比誘電率の高い方であることを特徴とする、前記電解質。
[実施態様2]
前記電解質が、多数の電解質層を多数の界面とともに有し、ここで、多数nの各界面で規定される基準値
Figure 0006173381
について、前記界面での前記基準値α n が、0.244<α n ≦0.5、好ましくは0.371<α n ≦0.5、とりわけ好ましくは0.436<α n ≦0.5、さらに好ましくは0.475<α n ≦0.5、殊に好ましくは0.488<α n ≦0.5、さらになお好ましくは0.494<α n ≦0.5の範囲にあることが成立し、ここで、常に、ε 1n は隣接する媒質の比誘電率の低い方であり、かつε 2n は隣接する媒質の比誘電率の高い方であることを特徴とする、実施態様1記載の電解質。
[実施態様3]
前記基準値α n が、すべての界面nで実質的に同じであることを特徴とする、実施態様2記載の電解質。
[実施態様4]
前記第一の電解質層の電解質が固体電解質であり、かつ前記第二の電解質層の電解質が液体電解質であることを特徴とする、実施態様1から3までのいずれか1項記載の電解質。
[実施態様5]
前記基準値α又は前記基準値α n が、258K〜383K、好ましくは228K〜398Kの温度範囲のすべての温度Tにおいて、0.5−0.256 * T/298K<α≦0.5、好ましくは0.5−0.128 * T/298K<α≦0.5、とりわけ好ましくは0.5−0.064 * T/298K<α≦0.5、極めて好ましくは0.5−0.025 * T/298K<α≦0.5、さらに好ましくは0.5−0.012 * T/298K<α≦0.5、さらになお好ましくは0.5−0.006 * T/298K<α≦0.5の範囲であることを特徴とする、実施態様1から4までのいずれか1項記載の電解質。
[実施態様6]
前記固体電解質が、以下の材料:
− 無機材料、とりわけ
− ガラス材料又は
− ガラスセラミック材料又は
− セラミック材料
− 並びに有機材料、とりわけ導電性充填剤を備えたポリマー
の1つを有することを特徴とする、実施態様4又は5記載の電解質。
[実施態様7]
前記固体電解質が、Li、とりわけリン酸リチウムアルミニウムゲルマニウム、ジルコン酸リチウムランタン、又はリチウム超イオン伝導体(LiSICon)結晶相を有する系を含むことを特徴とする、実施態様6記載の電解質。
[実施態様8]
前記液体電解質が、1種以上の非水系溶媒の混合物、とりわけ少なくとも1種のフッ化物系の電導度塩、好ましくはLiPF 6 を有するカーボネート系溶媒であることを特徴とする、実施態様4から7までのいずれか1項記載の電解質。
[実施態様9]
実施態様1から8までのいずれか1項記載の多層構造を有する電解質を含む電気化学エネルギー貯蔵デバイス、とりわけバッテリーセル。
[実施態様10]
前記バッテリーセルが、少なくとも3つの電解質層、すなわち、2つの液体電解質層及びこれら2つの電解質層の間に配置された1つの固体電解質層を含むことを特徴とする、実施態様9記載の電気化学エネルギー貯蔵デバイス。 The invention shows for the first time a range of dielectric constants, within which the interfacial resistance is minimized in the multilayer electrolyte and especially when voltage is applied over a wide temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. The linear behavior of the current profile through the interface can be expected to be voltage dependent.
The following describes embodiments of the present invention:
[Embodiment 1]
At least one first electrolyte layer characterized by a first dielectric constant ε 1 ;
At least one second electrolyte layer characterized by a second dielectric constant ε 2 ;
The interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer;
In an electrolyte having a multilayer structure, including
The first relative permittivity ε 1 and the second relative permittivity ε 2 are the reference value α
Figure 0006173381
As well as
The reference value α at the interface of the electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer is 0.244 <α ≦ 0.5, preferably 0.371 <α ≦ 0. 5, particularly preferably 0.436 <α ≦ 0.5, more preferably 0.475 <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.488 <α ≦ 0.5, still more preferably 0.494 <. α ≦ 0.5, where ε 1 is always the lower relative dielectric constant of the adjacent medium and ε 2 is the higher relative dielectric constant of the adjacent medium. The electrolyte is characterized in that it is present.
[Embodiment 2]
The electrolyte has a large number of electrolyte layers together with a large number of interfaces, where a reference value defined by a large number n of interfaces.
Figure 0006173381
The reference value α n at the interface is 0.244 <α n ≦ 0.5, preferably 0.371 <α n ≦ 0.5, particularly preferably 0.436 <α n ≦ 0.5. More preferably, 0.475 <α n ≦ 0.5, particularly preferably 0.488 <α n ≦ 0.5, still more preferably 0.494 <α n ≦ 0.5. Embodiment 1 , wherein ε 1n is always the lower relative dielectric constant of the adjacent medium and ε 2n is the higher relative dielectric constant of the adjacent medium. Electrolyte.
[Embodiment 3]
The electrolyte according to embodiment 2, characterized in that the reference value α n is substantially the same at all interfaces n.
[Embodiment 4]
4. The electrolyte according to any one of embodiments 1 to 3, wherein the electrolyte of the first electrolyte layer is a solid electrolyte, and the electrolyte of the second electrolyte layer is a liquid electrolyte.
[Embodiment 5]
The reference value α or the reference value α n is 0.5−0.256 * T / 298K <α ≦ 0.5, preferably at all temperatures T in the temperature range of 258K to 383K, preferably 228K to 398K . 0.5-0.128 * T / 298K <α ≦ 0.5, particularly preferably 0.5-0.064 * T / 298K <α ≦ 0.5, very particularly preferably 0.5-0.025. * T / 298K <α ≦ 0.5, more preferably 0.5-0.012 * T / 298K <α ≦ 0.5, still more preferably 0.5-0.006 * T / 298K <α ≦ 5. The electrolyte according to claim 1, wherein the electrolyte is in the range of 0.5.
[Embodiment 6]
The solid electrolyte is made of the following materials:
-Inorganic materials, especially
-Glass material or
-Glass ceramic material or
-Ceramic materials
-And organic materials, in particular polymers with conductive fillers
6. The electrolyte according to embodiment 4 or 5, characterized in that it has one of the following:
[Embodiment 7]
Embodiment 7. The electrolyte according to embodiment 6, characterized in that the solid electrolyte comprises a system having Li, in particular lithium aluminum germanium phosphate, lithium lanthanum zirconate, or a lithium superionic conductor (LiSICon) crystal phase.
[Embodiment 8]
Embodiments 4 to 7 characterized in that the liquid electrolyte is a mixture of one or more non-aqueous solvents, in particular a carbonate-based solvent with at least one fluoride-based conductivity salt, preferably LiPF 6. The electrolyte according to any one of the above.
[Embodiment 9]
9. An electrochemical energy storage device, in particular a battery cell, comprising an electrolyte having a multilayer structure according to any one of embodiments 1-8.
[Embodiment 10]
10. Electrochemistry according to embodiment 9, characterized in that the battery cell comprises at least three electrolyte layers, i.e. two liquid electrolyte layers and one solid electrolyte layer arranged between the two electrolyte layers. Energy storage device.

Claims (10)

− 第一の比誘電率ε1によって特徴付けられる少なくとも1つの第一の電解質層;
− 第二の比誘電率ε2によって特徴付けられる少なくとも1つの第二の電解質層;
− 前記第一の電解質層と前記第二の電解質層との界面
を含む、多層構造を有する電解質において、
− 前記第一の比誘電率ε1及び前記第二の比誘電率ε2は、基準値α
Figure 0006173381
を規定し、並びに
− 前記第一の電解質層の電解質及び前記第二の電解質層の電解質は、前記界面での前記基準値αが、0.244<α≦0.5の範囲にあるように選択され、ここで、常に、ε1は隣接する媒質の比誘電率の低い方であり、かつε2は隣接する媒質の比誘電率の高い方であり、かつ
前記第一の比誘電率ε1を有する材料、および前記第二の比誘電率ε2を有する材料が、異なる材料を有することを特徴とする、前記電解質。
At least one first electrolyte layer characterized by a first dielectric constant ε 1 ;
At least one second electrolyte layer characterized by a second dielectric constant ε 2 ;
-An electrolyte having a multilayer structure including an interface between the first electrolyte layer and the second electrolyte layer;
The first relative permittivity ε 1 and the second relative permittivity ε 2 are the reference value α
Figure 0006173381
And-the electrolyte of the first electrolyte layer and the electrolyte of the second electrolyte layer are such that the reference value α at the interface is in a range of 0.244 <α ≦ 0.5. Where ε 1 is always the lower relative permittivity of the adjacent medium, and ε 2 is the higher relative permittivity of the adjacent medium, and the first relative permittivity ε The electrolyte according to claim 1 , wherein the material having 1 and the material having the second relative dielectric constant ε 2 have different materials.
前記電解質が、多数の電解質層を多数の界面とともに有し、ここで、多数nの各界面で規定される基準値
Figure 0006173381
について、前記界面での前記基準値αnが、0.244<αn≦0.5の範囲にあることが成立し、ここで、常に、ε1nは隣接する媒質の比誘電率の低い方であり、かつε2nは隣接する媒質の比誘電率の高い方であることを特徴とする、請求項1記載の電解質。
The electrolyte has a large number of electrolyte layers together with a large number of interfaces, where a reference value defined by a large number n of interfaces.
Figure 0006173381
It is established that the reference value α n at the interface is in the range of 0.244 <α n ≦ 0.5, where ε 1n is always the one with the lower relative dielectric constant of the adjacent medium The electrolyte according to claim 1, wherein ε 2n is the higher relative dielectric constant of the adjacent medium.
前記基準値αnが、すべての界面nで実質的に同じであることを特徴とする、請求項2記載の電解質。 The electrolyte according to claim 2, wherein the reference value α n is substantially the same at all interfaces n. 前記第一の電解質層の電解質が固体電解質であり、かつ前記第二の電解質層の電解質が液体電解質であることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の電解質。   The electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte of the first electrolyte layer is a solid electrolyte, and the electrolyte of the second electrolyte layer is a liquid electrolyte. 前記基準値α又は前記基準値αnが、228K〜398Kの温度範囲のすべての温度Tにおいて、0.5−0.256*T/298K<α≦0.5の範囲であることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の電解質。 The reference value α or the reference value α n is in a range of 0.5−0.256 * T / 298K <α ≦ 0.5 at all temperatures T in the temperature range of 228K to 398K . The electrolyte according to any one of claims 1 to 4. 前記固体電解質が、以下の材料:
− 無機材料としての
− ガラス材料又は
− ガラスセラミック材料又は
− セラミック材料
− 並びに有機材料としての、導電性充填剤を備えたポリマー
の1つを有することを特徴とする、請求項記載の電解質。
The solid electrolyte is made of the following materials:
5. Electrolyte according to claim 4 , characterized in that it comprises one of a polymer with an electrically conductive filler , as an inorganic material, as a glass material or as a glass ceramic material or as a ceramic material and as an organic material.
前記固体電解質が、Liを含むことを特徴とする、請求項6記載の電解質。 Wherein the solid electrolyte, characterized in that it comprises a L i, claim 6 electrolyte according. 前記液体電解質が、1種以上の非水系溶媒の混合物であることを特徴とする、請求項4、6、7のいずれか1項記載の電解質。 The electrolyte according to any one of claims 4 , 6, and 7, wherein the liquid electrolyte is a mixture of one or more non-aqueous solvents. 請求項1から8までのいずれか1項記載の多層構造を有する電解質を含む、バッテリーセルである電気化学エネルギー貯蔵デバイHaving a multilayer structure of any one of claims 1 to 8 containing an electrolyte, electrochemical energy storage device is a battery cell. 前記バッテリーセルが、少なくとも3つの電解質層、すなわち、2つの液体電解質層及びこれら2つの液体電解質層の間に配置された1つの固体電解質層を含むことを特徴とする、請求項9記載の電気化学エネルギー貯蔵デバイス。   10. Electricity according to claim 9, characterized in that the battery cell comprises at least three electrolyte layers, i.e. two liquid electrolyte layers and one solid electrolyte layer arranged between the two liquid electrolyte layers. Chemical energy storage device.
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