RU2772791C1 - Battery cell element - Google Patents

Battery cell element Download PDF

Info

Publication number
RU2772791C1
RU2772791C1 RU2021136192A RU2021136192A RU2772791C1 RU 2772791 C1 RU2772791 C1 RU 2772791C1 RU 2021136192 A RU2021136192 A RU 2021136192A RU 2021136192 A RU2021136192 A RU 2021136192A RU 2772791 C1 RU2772791 C1 RU 2772791C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery cell
electrolyte
metal
lithium
group
Prior art date
Application number
RU2021136192A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лаурент ЗИНК
Манфред РАПП
Анна УРБАНСКИ
Original Assignee
Иннолит Текнолоджи Аг
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Иннолит Текнолоджи Аг filed Critical Иннолит Текнолоджи Аг
Application granted granted Critical
Publication of RU2772791C1 publication Critical patent/RU2772791C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: battery cells.
SUBSTANCE: invention relates to a battery cell containing an electrolyte based on SO2. Battery cell (2, 20, 40) contains active metal, at least one positive electrode (4, 23, 44), at least one negative electrode (5, 22, 45), housing (1, 28) and electrolyte , wherein the negative electrode (5, 22, 45) contains an active material selected from the group consisting of a carbon inclusion material, an alloy-forming active material, a carbon-free intercalary material, and a conversion active material, wherein the electrolyte is based on SO2 and contains at least one conductive salt.
EFFECT: good electrical energy and performance characteristics, high operational reliability and durability, in particular, a large number of useful charge and discharge cycles without electrolyte decomposition during operation of a rechargeable battery cell, resistance to low temperatures.
30 cl, 19 dwg, 4 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к элементу аккумуляторной батареи, содержащему электролит на основе SO2.The invention relates to a battery cell containing an electrolyte based on SO 2 .

Элементы аккумуляторной батареи имеют большое значение для многих областей техники. Часто они находят применение в тех случаях, когда требуются лишь небольшие, элементы аккумуляторной батареи с относительно низкой силой тока, как, например, при пользовании мобильными телефонами. Однако наряду с этим отмечается также повышенный спрос на более крупные повторно заряжаемые аккумуляторные элементы, предназначенные для высокоэнергетического применения, причем сверхбольшое накопление энергии в форме аккумуляторных элементов для электрического привода автомобилей имеет особое значение.Battery cells are of great importance for many areas of technology. They are often used in applications where only small, relatively low amperage battery cells are required, such as when using mobile phones. However, there has also been an increased demand for larger rechargeable battery cells for high energy applications, with ultra-large energy storage in the form of battery cells for electric vehicle drive being of particular importance.

Важным требованием, предъявляемым к подобным повторно заряжаемым аккумуляторным элементам, является высокая плотность энергии. Это означает, что элемент аккумуляторной батареи должен обладать по возможности большой электрической энергией в расчете на единицу веса и объема. В этом случае литий в качестве активного металла оказался особенно предпочтительным. Активным металлом элемента аккумуляторной батареи называют металл, ионы которого во время зарядки или разрядки элемента перемещаются в электролите в направлении отрицательного или положительного электрода, участвуя там в электрохимических процессах. Эти электрохимические процессы приводят к непосредственной или косвенной отдаче электронов в наружную электрическую цепь или к поступлению электронов из наружной электрической цепи. Элементы аккумуляторной батареи с литием в качестве активного металла называются также литий-ионными элементами. Плотность энергии в таких литий-ионных элементах может быть повышена либо увеличением удельной емкости электродов, либо повышением напряжения элемента.An important requirement for such rechargeable battery cells is a high energy density. This means that the battery cell must have as much electrical energy as possible per unit weight and volume. In this case, lithium as the active metal has proven to be particularly preferred. The active metal of a battery cell is a metal whose ions, during charging or discharging the cell, move in the electrolyte towards the negative or positive electrode, participating there in electrochemical processes. These electrochemical processes lead to the direct or indirect donation of electrons to an external electrical circuit or to the entry of electrons from an external electrical circuit. Battery cells with lithium as the active metal are also called lithium-ion cells. The energy density in such lithium-ion cells can be increased either by increasing the specific capacitance of the electrodes or by increasing the cell voltage.

Как положительный, так и отрицательный электрод литий-ионных элементов выполнены в виде включающих электродов. Под понятием ''включающий электрод'' в смысле настоящего изобретения подразумеваются электроды, содержащие кристаллическую структуру, в которую ионы активного материала при эксплуатации литий-ионного элемента поступают и из которой они выходят. Это значит, что электродные процессы могут протекать не только на поверхности электродов, но и внутри кристаллической структуры.Both the positive and negative electrodes of the lithium-ion cells are made as switching electrodes. The term "switching electrode" in the sense of the present invention refers to electrodes containing a crystal structure into which active material ions enter and leave during operation of a lithium ion cell. This means that electrode processes can occur not only on the electrode surface, but also inside the crystal structure.

Во время зарядки литий-ионного элемента ионы активного металла выходят из положительного электрода и поступают в отрицательный электрод. При разрядке литий-ионного элемента происходит обратный процесс.During the charging of a lithium-ion cell, active metal ions exit the positive electrode and enter the negative electrode. When a lithium-ion cell is discharged, the reverse process occurs.

Электролит является также важным функциональным элементом любого элемента аккумуляторной батареи. В нем содержатся в большинстве случаев растворитель или смесь растворителей и, по меньшей мере, одна соль, увеличивающая электропроводность электролита. Например, твердые электролиты или ионные жидкости не содержат растворители, а только соль, увеличивающую электропроводность электролита. Электролит контактирует с положительным и отрицательным электродами аккумуляторного элемента. По меньшей мере один ион увеличивающей электропроводность электролита соли (анион или катион) обладает внутри электролита такой подвижностью, что в результате ионной проводимости может происходить необходимый для функционирования элемента аккумуляторной батареи перенос зарядов между электродами. Начиная с определенного верхнего напряжения элемента аккумуляторного батареи, электролит электрохимически разлагается вследствие окисления. Этот процесс часто приводит к необратимому разрушению компонентов электролита и следовательно к выходу из строя элемента аккумуляторной батареи. Также и восстановительные процессы способны вызывать разложение электролита, начиная с определенного нижнего напряжения элемента. Для предупреждения этих процессов положительный и отрицательный электроды выбираются с таким расчетом, чтобы напряжение элемента было ниже или выше напряжения разложения электролита. Таким образом электролит определяет диапазон напряжения, в пределах которого элемент аккумуляторной батареи может обратимо эксплуатироваться, т.е. многократно заряжаться и разряжаться.The electrolyte is also an important functional element of any battery cell. It contains in most cases a solvent or mixture of solvents and at least one salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte. For example, solid electrolytes or ionic liquids do not contain solvents, but only a salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte. The electrolyte is in contact with the positive and negative electrodes of the battery cell. At least one ion of the salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte (anion or cation) has such mobility within the electrolyte that, as a result of ionic conduction, the charge transfer between the electrodes necessary for the functioning of the battery cell can occur. Starting from a certain upper battery cell voltage, the electrolyte decomposes electrochemically due to oxidation. This process often leads to the irreversible destruction of the electrolyte components and consequently to the failure of the battery cell. Also, recovery processes can cause decomposition of the electrolyte, starting from a certain lower cell voltage. To prevent these processes, the positive and negative electrodes are selected so that the cell voltage is lower or higher than the electrolyte decomposition voltage. Thus, the electrolyte determines the voltage range within which the battery cell can be reversibly operated, i.e. repeatedly charged and discharged.

Известные из уровня техники литий-ипонные элементы содержат электролит, состоящий из органического растворителя или смеси органических растворителей и растворенной в нем соли, повышающей электропроводность электролита. Проводящая соль представляет собой соль лития, как, например, гексафторфосфат лития (LiPF6). Смесь растворителей может содержать, например, этиленкарбонат (ЭК). Электролит LP57, имеющий состав 1 М LiPF6 в среде ЭК: ЭМК (этил метил карбонат) 3:7, представляет собой пример такого электролита. Из-за наличия органического растворителя или смеси органических растворителей этот тип литий-ионных элементов называются также органическими литий-ионными элементами. Отрицательный электрод таких органических литий-ионных элементов состоит из углеродного покрытия, нанесенного на разрядный элемент из меди. Разрядный элемент создает электропроводящее подключение углеродного покрытия к наружной электрической цепи. Соответствующий положительный электрод состоит из оксида литии-кобальта (LiCoO2), нанесенного на разрядный элемент из алюминия. Оба электрода имеют толщину, как правило, менее 100 мкм и поэтому очень тонкие.Lithium-ion cells known from the prior art contain an electrolyte consisting of an organic solvent or a mixture of organic solvents and a salt dissolved in it, which increases the electrical conductivity of the electrolyte. The conductive salt is a lithium salt, such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). The solvent mixture may contain, for example, ethylene carbonate (EC). Electrolyte LP57, having a composition of 1 M LiPF 6 in EC:EMC (ethyl methyl carbonate) 3:7, is an example of such an electrolyte. Due to the presence of an organic solvent or a mixture of organic solvents, this type of lithium ion cells are also called organic lithium ion cells. The negative electrode of such organic lithium-ion cells consists of a carbon coating deposited on a copper discharge cell. The discharge element creates an electrically conductive connection of the carbon coating to an external electrical circuit. The corresponding positive electrode consists of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) deposited on an aluminum discharge cell. Both electrodes are typically less than 100 µm thick and therefore very thin.

Издавна известно, что нежелательная перезарядка органических литий-ионных элементов приводит к необратимому разложению компонентов электролита. При этом происходит окислительное разложение органического растворителя и/или повышающей электропроводность электролита соли на поверхности положительного электрода. Образующееся при этом разложении тепло реакции и возникающие газообразные продукты служат причиной последующего, так называемого ''теплового пробоя '' и возникающего вследствие этого разрушения органического литий-ионного элемента. В подавляющем большинстве протоколов зарядки таких литий-ионных элементов напряжение элемента фигурирует в качестве индикатора окончания зарядки. При этом аварии вследствие теплового пробоя особенно вероятны в случае применения комплекта многоэлементных батарей, в которых множество органических литий-ионных элементов с не совпадающей емкостью соединены последовательно.It has long been known that undesirable overcharging of organic lithium-ion cells leads to irreversible decomposition of electrolyte components. When this occurs, the oxidative decomposition of the organic solvent and/or the salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte on the surface of the positive electrode. The heat of reaction generated during this decomposition and the resulting gaseous products are the cause of the subsequent so-called "thermal breakdown" and the resulting destruction of the organic lithium-ion cell. In the vast majority of charging protocols for such lithium-ion cells, the cell voltage appears as an indicator of the end of charging. However, accidents due to thermal runaway are especially likely in the case of using a set of multi-cell batteries in which a plurality of organic lithium-ion cells with a mismatched capacity are connected in series.

Литий является наиболее электроотрицательным металлом (-3,10 В vs. стандартный водородный электрод, СВЭ) и следовательно все материалы на нем преобразуются вследствие восстановления, например, в том числе, органические электролиты органического литий-ионного элемента. Такое восстановительное разложение органического электролита на отрицательном электроде является необратимым. Ни один из органических растворителей не является термодинамически стойким по отношению к литию или же по отношению к литию, накопленному в углероде (LixC6). Однако многие растворители образуют пассивирующую пленку на поверхности отрицательного электрода. Эта пленка пространственно отделяет растворитель от электрода, но является ионопроводящей, позволяя таким образом проход ионов лития. Пассивирующая пленка, так называемая интерфаза из твердого электролита (ТЭИ), придает системе стойкость, вследствие чего становится возможным получение органических литий-ионных элементов. При образовании ТЭИ литий встраивается в пассивирующую пленку. Этот процесс является необратимым, из-за чего отмечается потеря емкости. Эта невосполнимая потеря емкости, обозначаемая также как емкость покровного слоя, зависит от применяемого электролитного состава и от используемых электродов. Часто в органических литий-ионных элементах разложение электролита и образование содержащих ионы лития слоев продолжается во время последующей эксплуатации органического литий-ионного элемента и является причиной потери емкости и следовательно более короткой долговечности органического литий-ионного элемента. Также и при хранении заряженных органических литий-ионных элементов может происходить потеря емкости. Это так называемое саморазряжение может лежать в основе как необратимых процессов, таких, как, например, разложение электролита, так и обратимых процессов, при которых накопившийся в отрицательном электроде литий переходит в раствор электролита и при последующей зарядке снова используется.Lithium is the most electronegative metal (-3.10 V vs. Standard Hydrogen Electrode, SHE) and therefore all materials on it are converted due to reduction, for example, including organic lithium-ion cell organic electrolytes. This reductive decomposition of the organic electrolyte at the negative electrode is irreversible. None of the organic solvents is thermodynamically stable with respect to lithium or with respect to lithium accumulated in carbon (Li x C 6 ). However, many solvents form a passivating film on the surface of the negative electrode. This film spatially separates the solvent from the electrode, but is ion-conductive, thus allowing the passage of lithium ions. The passivating film, the so-called solid electrolyte interphase (SEC), provides stability to the system, making it possible to obtain organic lithium-ion cells. During the formation of TEI, lithium is incorporated into the passivating film. This process is irreversible, due to which there is a loss of capacity. This irreplaceable loss of capacitance, also referred to as capacitance, depends on the electrolyte composition used and on the electrodes used. Often in organic lithium ion cells, the decomposition of the electrolyte and the formation of layers containing lithium ions continues during the subsequent operation of the organic lithium ion cell and causes loss of capacity and hence shorter life of the organic lithium ion cell. Also, when storing charged organic lithium-ion cells, capacity loss can occur. This so-called self-discharge can underlie both irreversible processes, such as, for example, the decomposition of the electrolyte, and reversible processes, in which the lithium accumulated in the negative electrode passes into the electrolyte solution and is used again during subsequent charging.

Поэтому органические литий-ионные элементы являются проблематичными в отношении их стойкости и длительной эксплуатационной надежности. Риски, касающиеся надежности, обусловлены, в частности, также горючестью органического растворителя или смесей растворителей. При воспламенении органического литий-ионного элемента или даже при взрыве органический растворитель электролита образует горючий материал. Во избежание таких рисков надежности необходимы дополнительные меры. К этим мерам относятся, в частности, очень точная регулировка процессов зарядки и разрядки органического литий-ионного элемента, а также оптимизированная конструкция батареи. Кроме того в органическом литий-ионном элементе содержатся компоненты, которые при непроизвольном повышении температуры плавятся и при этом органический литий-ионный элемент может потечь вместе с расплавленным полимером. В результате исключается дополнительное неконтролируемое повышение температуры. Однако такие меры ведут к увеличению производственных затрат при изготовлении органического литий-ионного элемента, а также к увеличению объема и веса. Кроме того эти меры уменьшают плотность энергии органического литий-ионного элемента.Therefore, organic lithium-ion cells are problematic in terms of their durability and long-term operational reliability. Reliability risks also arise in particular from the flammability of the organic solvent or solvent mixtures. When an organic lithium ion cell ignites or even explodes, the organic electrolyte solvent forms a combustible material. Additional measures are needed to avoid such reliability risks. These measures include, in particular, a very precise regulation of the charging and discharging processes of the organic lithium-ion cell, as well as an optimized battery design. In addition, the organic lithium ion cell contains components that will melt if the temperature rises unintentionally, and the organic lithium ion cell may leak along with the molten polymer. As a result, an additional uncontrolled increase in temperature is eliminated. However, such measures lead to an increase in production costs in the manufacture of an organic lithium ion cell, as well as an increase in volume and weight. In addition, these measures reduce the energy density of the organic lithium-ion cell.

Другой недостаток органических литий-ионных элементов состоит в том, что вероятные, образующиеся в присутствии остаточных количеств воды продукты гидролиза ведут себя очень агрессивно по отношению к компонентам повторно заряжаемого аккумуляторного элемента. Так, например, при часто применяемой в органических элементах повышающей электропроводность электролита соли LiPF6 образуется в результате реакции со следами воды очень реакционноспособный, агрессивный фтористый водород (HF). Вследствие этого при изготовлении таких элементов аккумуляторной батареи с органическим электролитом необходимо следить за минимизацией содержащейся в электролите и компонентах элемента остаточной воды. Поэтому производство часто ведется в дорогостоящих сушильных камерах с экстремально низкой влажностью воздуха. Описанные выше проблемы, касающиеся стойкости и длительной эксплуатационной надежности, имеют особенно большое значение при разработке органических литий-ионных элементов, обладающих, во-первых, очень хорошими показателями электрической энергии и мощности и, во-вторых, очень высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, в частности, очень большим числом полезных циклов зарядки и разрядки.Another disadvantage of organic lithium ion cells is that hydrolysis products likely to form in the presence of residual water are very aggressive towards the components of the rechargeable battery cell. So, for example, with the LiPF 6 salt, which is often used in organic cells, which increases the electrical conductivity of the electrolyte, very reactive, aggressive hydrogen fluoride (HF) is formed as a result of reaction with traces of water. Therefore, in the manufacture of such organic electrolyte battery cells, care must be taken to minimize residual water contained in the electrolyte and cell components. Therefore, production is often carried out in expensive drying chambers with extremely low air humidity. The problems described above regarding durability and long-term reliability are of particular importance in the development of organic lithium-ion cells, which have, firstly, very good electrical energy and power characteristics and, secondly, very high operational reliability and durability, in in particular, a very large number of useful charge and discharge cycles.

Известное из уровня техники усовершенствование предусматривает применение электролита на основе диоксида серы (SO2) вместо органического электролита для элементов аккумуляторных батарей. Элемент аккумуляторной батареи, содержащий электролит на основе SO2, обладают в числе прочего высокой ионной проводимостью. Под понятием ''электролит на основе SO2'' следует понимать такой электролит, в котором SO2 содержится не только в качестве добавки в низкой концентрации, но также в котором подвижность ионов повышающей электропроводность электролита соли, содержащейся в электролите и вызывающей перенос зарядов, обеспечивается, по меньшей мере, частично, большей частью или даже полностью за счет SO2. Следовательно SO2 служит в качестве растворителя для упомянутой соли. Эта соль может образовывать с газообразным SO2 сольватный комплекс, причем SO2 связывается и давление пара заметно снижается по сравнению с чистым SO2. Образуются электролиты с низким давлением пара. Такие электролиты на основе SO2 обладают по сравнению с описанным выше органическим электролитом преимуществом, выражающимся в негорючести. Риски относительно надежности, вызываемые горючестью электролита, в результате этого могут быть исключены.A prior art improvement involves the use of an electrolyte based on sulfur dioxide (SO 2 ) instead of an organic electrolyte for battery cells. A battery cell containing an electrolyte based on SO 2 has, inter alia, high ionic conductivity. The term ''SO 2 -based electrolyte'' is to be understood as an electrolyte in which SO 2 is not only contained as an additive in a low concentration, but also in which the ion mobility of the salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte contained in the electrolyte and causes charge transfer is ensured , at least partially, mostly or even completely due to SO 2 . Hence SO 2 serves as a solvent for said salt. This salt can form a solvate complex with gaseous SO 2 , whereby SO 2 binds and the vapor pressure is markedly reduced compared to pure SO 2 . Electrolytes with low vapor pressure are formed. Such electrolytes based on SO 2 have the advantage of incombustibility compared to the organic electrolyte described above. Reliability risks caused by the flammability of the electrolyte can therefore be eliminated.

Например из ЕР 2290738 B1 (V1) описывает электролит на основе SO2 с составом LiAlCl4 * SO2 в сочетании с отрицательным графитовым электродом и с положительным электродом из литий-кобальтового оксида (LioO2). Отрицательным аспектом аккумуляторного элемента служит образование покровного слоя на графите при первом цикле зарядки аккумуляторного элемента и связанная с этим потеря емкости. Из абзаца [0008] источника (V1) следует, чтоFor example, from EP 2290738 B1 (V1) describes an SO 2 based electrolyte with the composition LiAlCl 4 * SO 2 in combination with a graphite negative electrode and a lithium cobalt oxide (LioO 2 ) positive electrode. A negative aspect of the battery cell is the formation of a coating layer on the graphite during the first charge cycle of the battery cell and the associated loss of capacity. From paragraph [0008] of source (V1) it follows that

''… большая доля лития, содержавшаяся в положительном электроде перед началом процесса зарядки (например, около 25%), была израсходована при первой зарядке на образование слоя покрытия''. В источнике (V1) эта проблема решается за счет того, что необходимый для образования слоя покрытия активный металл поступает на один из электродов из дополнительного запаса.''... a large proportion of the lithium contained in the positive electrode before the start of the charging process (for example, about 25%) was consumed during the first charge to form a coating layer''. In the source (V1), this problem is solved due to the fact that the active metal necessary for the formation of the coating layer is supplied to one of the electrodes from an additional reserve.

Недостаток, проявляющийся и при таком основанном на SO2 электролите, состоит в том, что возможные, образующиеся в присутствии остаточных количеств воды продукты гидролиза вступают в реакцию с компонентами элемента аккумуляторной батареи вызывают образование не желательных побочных продуктов. Вследствие этого при изготовлении таких элементов аккумуляторных батарей с электролитом на основе SO2 необходимо следить за минимизацией остаточной воды, содержащейся в электролите и компонентах элемента.A disadvantage that also occurs with such an SO 2 -based electrolyte is that possible hydrolysis products formed in the presence of residual amounts of water react with the components of the battery cell and cause the formation of undesirable by-products. Therefore, in the manufacture of such battery cells with an electrolyte based on SO 2 care must be taken to minimize the residual water contained in the electrolyte and cell components.

Другая типичная для электролита на основе SO2 проблема заключается в том, что многие, в частности, известные по органическим литий-ионовым элементам проводящие соли, повышающие электропроводность электролита, не растворимы в среде SO2. Измерениями установлено, что SO2 является плохим растворителем для многих проводящих солей, для фторида лития (LiF), бромида лития (LiBr), сульфата лития (Li2SO4), бис-(оксалато)бората лития (LiBOB), гексафторарсената лития (LiAsF6), тетрафторбората лития (LiBF4), трилитийгексафторалюмината (LisAlF6), гексафторантимоната лития (LiSbF6), дифтор(оксалато)бората лития (LiBF2C2O4), бис-(трифторметансульфонил)имид лития (LiTFSI), метабората лития (LiBO2), алюмината лития (LiAlO2), литийтрифлата (LiCF3SO3) и хлорсульфоната лития (LiSO3Cl). Показатели растворимости этих повышающих электропроводность электролита солей составляют в SO2 от около 102 до 104 моль/литр (см. таблицу 1). При таких низких концентрациях соли можно допустить, что в любом случае показатели электропроводности будут низкими и не достаточными для эффективной эксплуатации повторно заряжаемого аккумуляторного элемента.Another typical problem for an electrolyte based on SO 2 is that many, in particular, conductive salts known from organic lithium-ion cells that increase the electrical conductivity of the electrolyte, are insoluble in the SO 2 medium. Measurements have shown that SO 2 is a poor solvent for many conductive salts, for lithium fluoride (LiF), lithium bromide (LiBr), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), lithium bis-(oxalato)borate (LiBOB), lithium hexafluoroarsenate ( LiAsF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), trilithium hexafluoroaluminate (LisAlF 6 ), lithium hexafluoroantimonate (LiSbF 6 ), lithium difluoro(oxalato)borate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium bis-(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium metaborate (LiBO 2 ), lithium aluminate (LiAlO 2 ), lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium chlorosulfonate (LiSO 3 Cl). The solubility values of these electrolyte conductivity enhancing salts in SO 2 are from about 10 2 to 10 4 mol/liter (see Table 1). At such low salt concentrations, it can be assumed that in any case, the electrical conductivity values will be low and not sufficient for efficient operation of a rechargeable battery cell.

Figure 00000001
Figure 00000001

Для дальнейшего улучшения возможных применений и свойств элементов аккумуляторных батарей, содержащих электролит на основе SO2, целью настоящего изобретения является создание элемента аккумуляторной батареи с электролитом на основе SO2, который, по сравнению с известными из уровня техники элементами аккумуляторной батареи:In order to further improve the possible applications and properties of battery cells containing an SO 2 based electrolyte, the aim of the present invention is to provide a battery cell with an SO 2 based electrolyte which, compared to prior art battery cells:

- имеет широким электрохимическое окном, вследствие чего отсутствует окислительное разложение электролита на положительном электроде;- has a wide electrochemical window, as a result of which there is no oxidative decomposition of the electrolyte on the positive electrode;

- содержит на отрицательном электроде устойчивый слой покрытия, при этом емкость этого слоя низкая и при последующей эксплуатации не происходит восстановительного разложения электролита на отрицательном электроде;- contains a stable coating layer on the negative electrode, while the capacity of this layer is low and during subsequent operation there is no reductive decomposition of the electrolyte on the negative electrode;

- содержит электролит на основе SO2, обладающий хорошей растворяющей способностью для проводящих солей и следовательно являющийся хорошим проводником ионов и электронным изолятором, что упрощает перенос ионов и ограничивает до минимума саморазряд;- contains an electrolyte based on SO 2 that has good dissolving power for conductive salts and is therefore a good conductor of ions and an electronic insulator, which facilitates the transfer of ions and minimizes self-discharge;

- содержит электролит на основе SO2, который инертен по отношению к другим компонентам элемента аккумуляторной батареи, таким, как сепараторы, материалы электродов и упаковочные материалы элементов,- contains an SO 2 based electrolyte which is inert to other battery cell components such as separators, electrode materials and cell packaging materials,

- является устойчивым к другим неправомерным воздействиям, таким, как электрические, механические или термические;- is resistant to other undue influences, such as electrical, mechanical or thermal;

- содержит электролит на основе SO2 характеризующийся повышенной стойкостью к остаточным количествам воды в компонентах элементов аккумуляторной батареи;- contains an electrolyte based on SO 2 characterized by increased resistance to residual amounts of water in the components of the battery cells;

- обладает улучшенными рабочими электрическими характеристиками, в частности, высокой энергетической плотностью- has improved electrical performance, in particular, high energy density

- имеет улучшенную способность к перезарядке и глубокому разряду, а также меньший саморазряд и- has an improved ability to recharge and deep discharge, as well as less self-discharge and

- характеризуется повышенным сроком службы, в частности, большим числом циклов зарядки и разрядки.- characterized by an increased service life, in particular, a large number of charge and discharge cycles.

Такие элементы аккумуляторной батареи должны обладать, в частности, очень хорошими показателями электрической энергии и рабочими характеристиками, высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, в частности, большим числом полезных циклов зарядки и разрядки без разложения электролита в процессе эксплуатации повторно заряжаемого аккумуляторного элемента.Such battery cells must, in particular, have very good electrical energy and performance characteristics, high operational reliability and durability, in particular, a large number of useful charge and discharge cycles without electrolyte decomposition during operation of the rechargeable battery cell.

Эта цель достигается посредством элемента аккумуляторной батареи с признаками пункта 1 формулы настоящего изобретения. В пунктах 2-30 формулы изобретения описаны предпочтительные варианты выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению.This goal is achieved by a battery cell with features of claim 1 of the claims of the present invention. Claims 2-30 describe preferred embodiments of the battery cell according to the invention.

Элемент аккумуляторной батареи согласно настоящему изобретению содержит активный металл, по меньшей мере один положительный электрод, по меньшей мере один отрицательный электрод, корпус и электролит. Отрицательный электрод имеет активный материал, выбираемый из группы:The battery cell according to the present invention comprises an active metal, at least one positive electrode, at least one negative electrode, a housing and an electrolyte. The negative electrode has an active material selected from the group:

- материал включения из углерода,- carbon inclusion material,

- образующий сплав активный материал,alloy forming active material,

- интеркалярный материал без содержания углерода,- intercalary material without carbon content,

- конверсионый активный материал.- conversion active material.

Электролит на основе SO2, содержит, по меньшей мере, одну первую проводящую соль. Эта первая проводящая соль имеет формулу (I):The SO 2 based electrolyte contains at least one first conductive salt. This first conductive salt has the formula (I):

Figure 00000002
Figure 00000002

- В формуле (I) М означает металл, выбранный из группы, состоящей из: щелочных металлов, щелочноземельных металлов, металлов из группы 12 Периодической системы элементов и алюминия, х - целое число от 1 до 3.- In formula (I), M means a metal selected from the group consisting of: alkali metals, alkaline earth metals, metals from group 12 of the Periodic Table of the Elements and aluminum, x is an integer from 1 to 3.

- Заместители R1, R2, R3 и R4 независимо выбраны из группы, включающей С110 алкил, С210 алкенил, С210 алкинил, С310 циклоалкил, С614 арил и С514 гетероарил.- Substituents R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from the group consisting of C 1 -C 10 alkyl, C 2 -C 10 alkenyl, C 2 -C 10 alkynyl, C 3 -C 10 cycloalkyl, C 6 - C 14 aryl; and C 5 -C 14 heteroaryl.

- Z представляет собой алюминий или бор.- Z represents aluminum or boron.

Под понятием ''материал включения'' в настоящем изобретении подразумеваются материалы из углерода, обладающие структурой, в которую ионы активного металла во время эксплуатации литий-ионного аккумуляторного элемента могут входить или из которой они могут выходить. Это означает, что электродные процессы протекают не только на поверхности электродов, но и внутри структуры. Если применяется, например, повышающая электропроводность электролита соль на основе лития, то ионы лития во время зарядки элемента аккумуляторной батареи могут поступать в этот включающий материал, а во время разрядки этого элемента могут выходить из него.By "inclusion material" in the present invention is meant carbon materials having a structure into which active metal ions can enter or leave during operation of a lithium ion battery cell. This means that electrode processes occur not only on the surface of the electrodes, but also inside the structure. If, for example, a salt based on lithium that increases the electrical conductivity of the electrolyte is used, then lithium ions can enter this including material during charging of the battery cell, and can leave it during discharging of this battery.

В отношении образующих сплав активных материалов речь идет, как правило, о металлах и металлических сплавах, а также их оксидах, образующих с активным металлом, например, литием сплав, причем такое образование сплава происходит в или на отрицательном электроде и является по существу обратимым. В противоположность включающему материалу активный металл в сплавах не внедряется в уже существующую структуру. Внедрение активного металла происходит скорее через процессы фазового преобразования, которые, например, при использовании лития в качестве активного металла могут привести к получению литийсодержащего бинарного конечного продукта. При образовании сплава может произойти расширение активного материала.The alloy-forming active materials are generally metals and metal alloys, as well as their oxides, which form an alloy with the active metal, for example lithium, such alloying occurring in or at the negative electrode and being substantially reversible. In contrast to the containing material, the active metal in alloys does not intrude into an already existing structure. The incorporation of the active metal occurs rather through phase transformation processes, which, for example, when using lithium as the active metal, can lead to a lithium-containing binary end product. When the alloy is formed, expansion of the active material may occur.

Под понятием ''интеркалярное соединение'' в настоящем изобретении следует понимать подгруппу описанных выше материалов включения. Такое интеркалярное соединение действует как затравочная матрица с вакансиями, связанными между собой. В эти вакансии могут диффундировать ионы активного металла в процессе разрядки повторно заряжаемого аккумуляторного элемента и там внедряться. В рамках этого внедрения ионов активного металла в затравочной матрице либо происходят лишь незначительные структурные изменения, либо совсем не происходят.The term "intercalary connection" in the present invention should be understood as a subset of the inclusion materials described above. Such an intercalary compound acts as a seed matrix with vacancies connected to each other. Active metal ions can diffuse into these vacancies during the discharge of a rechargeable battery cell and become embedded there. As part of this introduction of active metal ions in the seed matrix, either only minor structural changes occur, or they do not occur at all.

Конверсионно-активные материалы претерпевают во время электродных процессов химическую конверсию или превращение, приводящее к обратимому образованию химической связи между активным металлом и активным материалом. Электролит на основе SO2, применяемый в элементе аккумуляторной батареи, содержит SO2 не только в качестве добавки слабой концентрации, но и при концентрациях, при которых обеспечивается подвижность ионов содержащейся в электролите первой проводящей соли, и обеспечивающей перенос зарядов, по меньше мере, частично, большей частью или даже полностью посредством SO2. Первая проводящая соль растворена в последнем и обладает очень хорошей растворимостью в нем. Вместе с газообразным SO2 она способна образовывать жидкий сольватный комплекс, в котором SO2 связывается. В этом случае давление пара жидкого сольватного комплекса заметно снижается по сравнению с чистым SO2, и образуются электролиты с низким давлением пара. Однако в объем изобретения входит и то, что при изготовлении электролита согласно изобретению, в зависимости от химической структуры первой проводящей соли формулы (I) может происходить снижение давления пара. В таком случае предпочтительно, чтобы получение электролита согласно изобретению велось при низкой температуре или под давлением. В электролите могут также содержаться несколько проводящих солей формулы (I), которые различаются между собой своей химической структурой.The conversion-active materials undergo during electrode processes a chemical conversion or transformation leading to the reversible formation of a chemical bond between the active metal and the active material. The SO 2 -based electrolyte used in the battery cell contains SO 2 not only as an additive at a low concentration, but also at concentrations that ensure the mobility of the ions of the first conductive salt contained in the electrolyte, and ensure the transfer of charges, at least partially , mostly or even completely through SO 2 . The first conductive salt is dissolved in the latter and has very good solubility in it. Together with gaseous SO 2 it is able to form a liquid solvate complex in which SO 2 binds. In this case, the vapor pressure of the liquid solvate complex is noticeably reduced compared to pure SO 2 , and low vapor pressure electrolytes are formed. However, it is also within the scope of the invention that, in the preparation of the electrolyte according to the invention, depending on the chemical structure of the first conductive salt of the formula (I), a decrease in vapor pressure can occur. In such a case, it is preferable that the preparation of the electrolyte according to the invention is carried out at low temperature or under pressure. The electrolyte may also contain several conductive salts of formula (I), which differ from each other in their chemical structure.

Понятие ''C110 алкил'' включает по настоящему изобретению линейные или разветвленные насыщенные углеводородные группы, содержащие от одного до десяти атомов углерода. Сюда относятся, в частности, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, втор, бутил, изо-бутил, трет, бутил, н-пентил, изо-пентил, 2,2-диметилпропил, п-гексил, изо-гексил, 2-этилгексил, н-гептил, изо-гептил, н-октил, изо-октил, н-нонил, н-децил и др.The concept of ''C 1 -C 10 alkyl'' includes in the present invention linear or branched saturated hydrocarbon groups containing from one to ten carbon atoms. These include in particular methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec, butyl, iso-butyl, tert, butyl, n-pentyl, iso-pentyl, 2,2-dimethylpropyl, p-hexyl, iso-hexyl, 2-ethylhexyl, n-heptyl, iso-heptyl, n-octyl, iso-octyl, n-nonyl, n-decyl, etc.

Понятие ''С210 алкенил '' включает по настоящему изобретению ненасыщенные линейные или разветвленные углеводородные группы, содержащей от двух до десяти атомов углерода, причем углеводородные группы имеют, по меньшей мере, одну двойную связь С-С. Сюда относятся, в частности, этенил, 1-пропенил, 2-пропенил, 1-н-бутенил, 2-п-бутенил, изо-бутенил, 1-пентенил, 1-гексенил, 1-гептенил, 1-октенил, 1-ноненил, 1-деценил и др.The term ''C 2 -C 10 alkenyl'' includes, according to the present invention, unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to ten carbon atoms, the hydrocarbon groups having at least one C-C double bond. These include, in particular, ethenyl, 1-propenyl, 2-propenyl, 1-n-butenyl, 2-p-butenyl, iso-butenyl, 1-pentenyl, 1-hexenyl, 1-heptenyl, 1-octenyl, 1- nonenyl, 1-decenyl, etc.

Понятие ''С210 алкинил'' включает по настоящему изобретению ненасыщенные линейные или разветвленные углеводородные группы, содержащие от двух до десяти атомов углерода, причем углеводородные группы имеют, по меньшей мере, одну тройную связь С-С. Сюда относятся, в частности, этинил, 1-пропинил, 2-пропинил, 1-н-бутинил, 2-н-бутинил, изо-бутинил, 1-пентинил, 1-гексинил, 1-гептинил, 1-октинил, 1-нонинил, 1-децинил и др.The term "C 2 -C 10 alkynyl" includes, according to the present invention, unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to ten carbon atoms, the hydrocarbon groups having at least one C-C triple bond. These include, in particular, ethynyl, 1-propynyl, 2-propynyl, 1-n-butynyl, 2-n-butynyl, iso-butynyl, 1-pentynyl, 1-hexynyl, 1-heptynyl, 1-octynyl, 1- noninyl, 1-decynyl, etc.

Понятие ''С310 циклоалкил'' включает по настоящему изобретению циклические насыщенные углеводородные группы, содержащие от трех до десяти атомов углерода. Сюда относятся, в частности, циклопропил, циклобутил, циклопентил, циклогексил, циклогепсил, циклогексил, циклононил и циклодеканил.The term "C 3 -C 10 cycloalkyl" includes, according to the present invention, cyclic saturated hydrocarbon groups containing from three to ten carbon atoms. These include, in particular, cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cyclohepsil, cyclohexyl, cyclononyl and cyclodecanyl.

Понятие ''С614 арил'' включает по настоящему изобретению ароматические углеводородные группы, содержащие от шести до четырнадцати кольцевых атомов углерода. Сюда относятся, в частности, фенил (группа C6H5), нафтил (группа С10Н7) и антрацил (группа С14Н9).The term "C 6 -C 14 aryl" includes in the present invention aromatic hydrocarbon groups containing from six to fourteen ring carbon atoms. These include, in particular, phenyl (group C 6 H 5 ), naphthyl (group C 10 H 7 ) and anthracyl (group C 14 H 9 ).

Понятие ''С514 гетероарил'' включает по настоящему изобретению ароматические углеводородные группы, содержащие от пяти до четырнадцати кольцевых углеродных атомов, в которых, по меньшей мере один атом углерода заменен или замещен атомом азота, кислорода или серы. Сюда относятся, в частности, пирролил, фуранил, тиофенил, пирридинил, пиранил, тиопиранил и др. Все упомянутые выше углеводородные группы связаны через атом кислорода с центральным атомом согласно формуле (I).The term "C 5 -C 14 heteroaryl" includes in the present invention aromatic hydrocarbon groups containing from five to fourteen ring carbon atoms, in which at least one carbon atom is replaced or replaced by a nitrogen, oxygen or sulfur atom. These include, in particular, pyrrolyl, furanyl, thiophenyl, pyrridinyl, pyranyl, thiopyranyl, etc. All the above-mentioned hydrocarbon groups are linked through an oxygen atom to the central atom according to formula (I).

Элемент аккумуляторной батареи с таким электролитом имеет преимущество по сравнению с элементами аккумуляторной батареи, содержащими электролиты, известные из предшествующего уровня техники, в том, что содержащаяся в нем первая проводящая соль обладает повышенной стойкостью к окислению и вследствие этого по существу не подвержена разложению при повышенных напряжениях на элементе. Этот электролит устойчив к окислению предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,0 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,4 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,8 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 5,2 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 5,6 В и особо предпочтительно, в частности, при верхнем потенциале до 6,0 В. Таким образом при использовании такого электролита в элементе аккумуляторной батареи происходит лишь незначительное разложение или даже не происходит разложения электролита в пределах рабочего потенциала, т.е. в диапазоне между конечным напряжением заряда и конечным напряжением разряда, обоих электродов элемента аккумуляторной батареи. В результате элементы аккумуляторной батареи могут иметь конечное напряжение заряда, равное, по меньшей мере, 4,0 В, предпочтительно равное, по меньшей мере, 4,4 В, предпочтительно равное, по меньшей мере, 4,8 В, предпочтительно равное, по меньшей мере, 5,2 В, предпочтительно равное, по меньшей мере, 5,6 В, особо предпочтительно равное, по меньшей мере, 6,0 В.A battery cell with such an electrolyte has an advantage over battery cells containing electrolytes known from the prior art in that the first conductive salt contained therein has improved resistance to oxidation and is therefore substantially immune to degradation at elevated voltages. on the element. This electrolyte is resistant to oxidation preferably at least at an upper potential up to 4.0 V, preferably at least at an upper potential up to 4.4 V, preferably at least at an upper potential up to 4.8 V, preferably at least at an upper potential of up to 5.2 V, preferably at least at an upper potential of up to 5.6 V and particularly preferably at an upper potential of up to 6.0 V. Thus, when using such electrolyte in the battery cell, there is only a slight decomposition or even no decomposition of the electrolyte within the operating potential, i.e. in the range between the charge end voltage and the discharge end voltage, both electrodes of the battery cell. As a result, the battery cells can have a final charge voltage of at least 4.0 V, preferably at least 4.4 V, preferably at least 4.8 V, preferably at least at least 5.2 V, preferably at least 5.6 V, particularly preferably at least 6.0 V.

Срок службы элемента аккумуляторной батареи с таким электролитом заметно удлинился по сравнению с элементом аккумуляторной батареи с известным из уровня техники электролитом.The service life of a battery cell with such an electrolyte is noticeably longer than that of a battery cell with an electrolyte known from the prior art.

Кроме того, элемент аккумуляторной батареи с таким электролитом обладает стойкостью к низким температурам. При температуре, например, -40°С, может еще происходить разряжение 61% заряженной емкости. Электропроводность электролита при низких температурах остается достаточной для эксплуатации аккумуляторного элемента.In addition, a battery cell with such an electrolyte is resistant to low temperatures. At a temperature of, for example, -40° C., 61% of the charged capacity can still be discharged. The electrical conductivity of the electrolyte at low temperatures remains sufficient for the operation of the battery cell.

Кроме того элемент аккумуляторной батареи с таким электролитом обладает повышенной стойкостью к остаточным количествам воды. Если в электролите еще содержатся незначительные остаточные количества воды (в диапазоне нескольких частей на миллион), то электролит или первая проводящая соль образует с водой, по сравнению с известными из уровня техники электролитами на основе SO2, продукты гидролиза, являющиеся заметно менее агрессивными по отношению к компонентам элемента. Вследствие этого отсутствие воды в электролите играет менее значительную роль по сравнению с электролитами на основе, SO2, известными из уровня техники. Эти преимущества электролита согласно изобретению преобладают над недостатком, вызываемым тем фактом, что первая проводящая соль формулы (I), имеет анионы значительно большего размера по сравнению с известными из уровня техники проводящими солями. Такой повышенный размер анионов обуславливает, по сравнению с электропроводностью LiAlCl4, более низкую электропроводность первой проводящей соли формулы (I).In addition, a battery cell with such an electrolyte has an increased resistance to residual amounts of water. If the electrolyte still contains small residual amounts of water (in the range of a few parts per million), then the electrolyte or the first conductive salt forms with water, in comparison with electrolytes based on SO 2 known from the prior art, hydrolysis products that are noticeably less aggressive towards to the element's components. As a result, the absence of water in the electrolyte plays a less significant role in comparison with electrolytes based on SO 2 known from the prior art. These advantages of the electrolyte according to the invention outweigh the disadvantage caused by the fact that the first conductive salt of formula (I) has significantly larger anions compared to the conductive salts known from the prior art. This increased anion size causes, compared to the electrical conductivity of LiAlCl 4 , a lower electrical conductivity of the first conductive salt of formula (I).

Отрицательный электрод.negative electrode.

Ниже описаны преимущества использования элемента аккумуляторной батареи согласно настоящего изобретения в отношении указанного отрицательного электрода. Согласно первому варианту настоящего изобретению в элементе аккумуляторной батареи отрицательный электрод с литием содержит образующие сплав анодно-активные материалы, в частности, кремний. Другими словами, выполняя функцию активного металла, литий образует сплав с активным материалом, образующим сплав.The advantages of using a battery cell according to the present invention with respect to said negative electrode are described below. According to a first embodiment of the present invention, in the battery cell, the lithium negative electrode contains alloy-forming anode-active materials, in particular silicon. In other words, by acting as an active metal, lithium forms an alloy with the active material that forms the alloy.

Согласно другому варианту настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи предусмотрено, что материал включения выбирается из группы, состоящей из графита, природного графита, синтетического графита, мезоуглеродных микрогранул (МСМВ), графита с углеродным покрытием и аморфного углерода. Материл вставки из графита, как разновидность графита предпочтителен. Природный графит может иметь вид чешуйчатого (в виде так называемого стимулятора коагуляции) или иметь округлую форму. Синтетический графит, называемый также графитизированным углеродом или электрографитом, может быть получен графитизацией не графитного углерода, химическим осаждением в газовой фазе углеводородов при температуре свыше 2500 К, разложением химически нестабильных карбидов или кристаллизацией перенасыщенных углеродом расплавов металлов и может применяться благодаря своей равномерной структуре и повышенной степени чистоты по сравнению с природным графитом и другими материалами в качестве анодного материала. Графитизированные мезокарбоновые микрогранулы имеют предпочтительно почти сферическую структуру с диаметром, например, от 1 до 40 urn и следовательно малую удельную поверхность. Мезоуглеродные микрогранулы относятся к так называемому ''мягкому углероду''. В рамках изобретения предусмотрено также, что могут применяться углеродные волокна, например, углеродные волокна на основе мезофазной смолы, углеродные волокна на основе мезофазного пека (MCF) или выращенные в паровой фазе углеродные волокна (ВГУФ), в качестве активных материалов для отрицательного электрода. Упомянутый ранее аморфный углерод не имеет кристаллического дальнего порядка. Примерами этого могут служить графитизируемый (мягкий углерод) и не графитизируемый углерод (твердый углерод).According to another embodiment of the present invention, the battery cell provides that the inclusion material is selected from the group consisting of graphite, natural graphite, synthetic graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), carbon-coated graphite and amorphous carbon. Graphite insert material as a kind of graphite is preferred. Natural graphite can be flaky (in the form of a so-called coagulation stimulator) or have a rounded shape. Synthetic graphite, also called graphitized carbon or electrographite, can be obtained by graphitizing non-graphitic carbon, chemical vapor deposition of hydrocarbons at temperatures above 2500 K, decomposition of chemically unstable carbides, or crystallization of carbon-rich melts of metals, and can be used due to its uniform structure and increased degree of purity compared to natural graphite and other materials as the anode material. The graphitized mesocarbon microgranules preferably have an almost spherical structure with a diameter of, for example, 1 to 40 urn and hence a small specific surface area. Mesocarbon microgranules belong to the so-called ''soft carbon''. It is also contemplated within the scope of the invention that carbon fibers such as mesophase resin carbon fibers, mesophase pitch carbon fibers (MCF) or vapor phase grown carbon fibers (VGUF) can be used as active materials for the negative electrode. The previously mentioned amorphous carbon does not have a crystalline long-range order. Examples of this are graphitizable (soft carbon) and non-graphitizable carbon (hard carbon).

Согласно еще одному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению предусмотрено, что образующий сплав активный материал выбирается из группы, состоящей из накапливающих литий металлов и сплавов металлов, или же из группы, состоящей из оксидов накапливающих литий металлов и сплавов металлов. Сюда относятся преимущественно кремний (Si), в частности, нано-кремний, пм-кремний, кремниевые нановолокна, германий (Ge), олово (Sn), SnCoxCy, SnSi и др., а также их оксиды, например, SnOx, SiOx, оксидные стекла из Sn и Si и др. Оксиды состава МОх, где М означает металл, такой как, SiOx, состоят, например, из смеси компонентов SiO, SiO и SiO2 According to another embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided that the alloy-forming active material is selected from the group consisting of lithium storage metals and metal alloys, or from the group consisting of lithium storage metal oxides and metal alloys. This includes mainly silicon (Si), in particular nano-silicon, pm-silicon, silicon nanofibers, germanium (Ge), tin (Sn), SnCo x C y , SnSi, etc., as well as their oxides, for example, SnO x , SiO x , oxide glasses of Sn and Si, etc. Oxides of the composition MO x , where M means a metal, such as SiO x , consist, for example, of a mixture of components SiO, SiO and SiO 2

При этом весовые доли отдельных компонентов могут изменяться. Теоретическая емкость некоторых из этих образующий сплав активных материалов анода (анодно-активные материалы) указана в таблице 2In this case, the weight fractions of the individual components may vary. The theoretical capacity of some of these alloy-forming anode active materials (anode active materials) is listed in Table 2

Figure 00000003
Figure 00000003

Согласно другому варианту настоящего изобретения в элементе аккумуляторой батареи предусмотрено, что образующим сплав анодно-активным материалом является анод но-активный материал на основе кремния. Этот материал характеризуется очень высокой теоретической емкостью.According to another embodiment of the present invention, the battery cell provides that the anode active material forming the alloy is a silicon-based anode active material. This material is characterized by a very high theoretical capacity.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения предусмотрено, что образующий сплав анодно-активный материал выполнен из кремния или оксидов кремния или смесей из кремния и его оксидов.According to another variant of the present invention, it is provided that the anode-active material forming the alloy is made of silicon or silicon oxides or mixtures of silicon and its oxides.

Основанные на кремнии анодно-активные материалы могут классифицироваться, например, по геометрии их частиц или морфологии на материалы 0D, 1D, 2D и 3D. К кремниевым материалам 0D относятся, например, наночастицы кремния размером < 150 нм, которые способны расширяться в ходе электрохимической циклизации, не причиняя каких-либо повреждений. Наностержни 1D, нанопроволока и нанотрубки из кремния обладают вдоль транспортирующего канала 1D хорошей проводимостью вследствие того, что в комплексе электродов они, как правило, непосредственно связаны с электрической цепью. Группа кремниевых материалов 2D включает в себя, например, тонкие пленки и нанопластины из кремния, которые, как правило, обладают большой емкостью. При этом обнаружилось, что с уменьшением толщины слоя возрастает обратимая емкость и электрохимическая цикличная стабильность. Основанные на кремнии 3D пористые структуры, а также сетчатые структуры способны противостоять объемным изменениям благодаря своему пористому характеру и следовательно сохранять структурную целостность. Одновременно эти материалы обладают высокой антидетонационной плотностью и следовательно теоретически более высокой объемной емкостью, чем наноструктуры меньшей размерности.Silicon-based anode active materials can be classified, for example, according to their particle geometry or morphology into 0D, 1D, 2D and 3D materials. 0D silicon materials include, for example, silicon nanoparticles < 150 nm in size, which are able to expand during electrochemical cyclization without causing any damage. 1D nanorods, silicon nanowires, and nanotubes have good conductivity along the 1D transport channel due to the fact that, as a rule, they are directly connected to the electrical circuit in the electrode complex. The group of 2D silicon materials includes, for example, silicon thin films and nanowafers, which generally have high capacitance. It was found that with a decrease in the layer thickness, the reversible capacitance and electrochemical cyclic stability increase. Silicon-based 3D porous structures, as well as mesh structures, are able to withstand volumetric changes due to their porous nature and therefore maintain structural integrity. At the same time, these materials have a high antiknock density and, consequently, a theoretically higher volumetric capacity than smaller nanostructures.

Согласно другому варианту настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи образующие с литием сплав анодно-активные материалы еще до применения содержали литий в аккумуляторном элементе. Эта так называемая предварительная обработка на литий снижает потери емкости, например, в результате образования покровного слоя на первом цикле.According to another embodiment of the present invention, the lithium-alloyed anode active materials in the battery cell contained lithium in the battery cell prior to use. This so-called lithium pre-treatment reduces capacity losses, for example as a result of the formation of a coating layer in the first cycle.

Согласно другому варианту настоящего изобретения в элементе аккумулятоной батареи предусмотрено, что отрицательный электрод содержит, по меньшей мере, один образующий сплав анодно-активный материал, в частности, по меньшей мере, один анодно-активный материал, образующий сплав посредством лития, в комбинации, по меньшей мере, с одним углеродным включающим материалом. Предпочтительны комбинации из кремния и/или оксидов кремния с графитом. Сюда относятся, например, композиты, образующие механически стойкие комплексы. Материалы утоплены один в другом Комбинация может также иметь вид не связных смесей, так называемых композиций В комбинацию могут входить, например, кремний и графит или SiOx и графит.According to another embodiment of the present invention, it is provided in the battery cell that the negative electrode comprises at least one anode active material forming an alloy, in particular at least one anode active material forming an alloy by means of lithium, in combination, according to with at least one carbon containing material. Combinations of silicon and/or silicon oxides with graphite are preferred. This includes, for example, composites that form mechanically stable complexes. The materials are recessed one into the other. The combination can also be in the form of non-cohesive mixtures, so-called compositions. The combination can include, for example, silicon and graphite or SiO x and graphite.

Согласно другому варианту настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи отрицательный электрод содержит литиевые интеркалярные анодно-активные материалы без содержания углерода например, литий-титанаты (например, Li4Ti5O12).According to another embodiment of the present invention, in a battery cell, the negative electrode comprises carbon-free lithium intercalary anode active materials, such as lithium titanates (eg, Li 4 Ti 5 O 12 ).

В случае этого предпочтительного варианта настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи анодно-активный материал является конверсионным активным материалом, выбираемым из группы, состоящей из оксидов марганца (MnOx), оксидов железа (FeOx), оксидов кобальта (СоОх), оксидов никеля (NiOx), оксидов меди (CuOx), или из группы, состоящей из гидрида магния ((MgH2), гидрида титана (TiH2), гидрида алюминия (AlH3) и трет, гидридов на основе бора, алюминия, магния, и др.In the case of this preferred embodiment of the present invention, in the battery cell, the anode active material is a conversion active material selected from the group consisting of manganese oxides (MnO x ), iron oxides (FeO x ), cobalt oxides (CoO x ), nickel oxides ( NiO x ), copper oxides (CuO x ), or from the group consisting of magnesium hydride ((MgH 2 ), titanium hydride (TiH 2 ), aluminum hydride (AlH 3 ) and tert hydrides based on boron, aluminum, magnesium, and etc.

В случае другого варианта настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи предусмотрено, что отрицательный электрод выполнен пористым, при этом пористость составляет предпочтительно не более 50%, предпочтительно не более 45%, предпочтительно не более 40%, предпочтительно не более 35%, предпочтительно не более 30%, предпочтительно не более 20% и особо предпочтительно не более 10%. Пористость - это объем пустот от общего объема отрицательного электрода, причем объем пустот образован так называемыми порами или пустыми пространствами. Данная пористость обеспечивает увеличение внутренней поверхности отрицательного электрода. Кроме того пористость снижает плотность отрицательного электрода, а следовательно и его вес.In the case of another embodiment of the present invention, it is provided in the battery cell that the negative electrode is made porous, while the porosity is preferably not more than 50%, preferably not more than 45%, preferably not more than 40%, preferably not more than 35%, preferably not more than 30 %, preferably not more than 20% and particularly preferably not more than 10%. Porosity is the volume of voids from the total volume of the negative electrode, and the volume of voids is formed by the so-called pores or empty spaces. This porosity provides an increase in the inner surface of the negative electrode. In addition, porosity reduces the density of the negative electrode, and hence its weight.

Отдельные поры отрицательного электрода заполняются в процессе эксплуатации преимущественно полностью электролитом.Separate pores of the negative electrode are filled during operation mainly completely with electrolyte.

Согласно другому варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи по изобретению предусмотрено, что отрицательный электрод имеет отводящий элемент. Это означает, что отрицательный электрод содержит наряду с активным материалом или включающим материалом также отводящий элемент. Этот отводящий элемент предназначен для обеспечения необходимой электронной проводимости на месте подключения активного материала отрицательного электрода. Для этого отводящий элемент контактирует с активным материалом, участвующим в протекающей на отрицательном электроде реакции. Такой отводящий элемент может быть выполнен плоским в виде тонкого металлического листа или тонкой металлической фольги. Тонкая металлическая фольга имеет предпочтительно дырчатую или сетчатую структуру. Плоский отводящий элемент может также состоять из полимерной пленки с металлическим покрытием. Толщина таких металлических покрытий составляет от 0,1 до 20 мкм. Активный материал отрицательного электрода наносится предпочтительно на поверхность тонкого металлического листа, тонкой металлической фольги или полимерной пленки с металлическим покрытием. Активный материал может наноситься на лицевую и/или обратную сторону плоского отводящего элемента. Такие плоские отводящие элементы имеют толщину в диапазоне от 5 до 50 мкм. Предпочтительна толщина плоского отводящего элемента в диапазоне от 10 до 30 мкм. При использовании плоских отводящих элементов общая толщина отрицательного электрода может составлять, по меньшей мере, 20 мкм, предпочтительно, по меньшей мере, 40 мкм, особо предпочтительно, по меньшей мере, 60 мкм. Максимальная толщина составляет не более 200 мкм, предпочтительно не более 150 мкм, особо предпочтительно не более 100 мкм. Поверхностная удельная емкость отрицательного электрода, отнесенная к покрытию на одной стороне, составляет при использовании плоского отводящего элемента преимущественно, по меньшей мере, 0,5 мАч/см2, при этом при данной последовательности предпочтительными являются следующие показатели: 1 мАч/см2, 3 мАч/см2, 5 мАч/см2, 10 мАч/см2, 15 мАч/см2, 20 м.ч/см2.According to another embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided that the negative electrode has a discharge element. This means that the negative electrode contains, in addition to the active material or the containing material, also a discharge element. This diverting element is designed to provide the necessary electronic conductivity at the point of connection of the active material of the negative electrode. To do this, the discharge element is in contact with the active material involved in the reaction taking place on the negative electrode. Such a diverting element can be made flat in the form of a thin metal sheet or a thin metal foil. The thin metal foil preferably has a perforated or mesh structure. The flat wicking element may also consist of a metal-coated polymer film. The thickness of such metal coatings ranges from 0.1 to 20 µm. The negative electrode active material is preferably deposited on the surface of a thin metal sheet, a thin metal foil or a metal-coated polymer film. The active material may be applied to the front and/or back side of the planar wicking element. Such flat outlet elements have a thickness in the range of 5 to 50 µm. The thickness of the flat outlet element is preferably in the range of 10 to 30 µm. When flat discharge elements are used, the total thickness of the negative electrode can be at least 20 µm, preferably at least 40 µm, particularly preferably at least 60 µm. The maximum thickness is at most 200 µm, preferably at most 150 µm, particularly preferably at most 100 µm. The surface specific capacitance of the negative electrode, referred to the coating on one side, is preferably at least 0.5 mAh/cm 2 when using a flat discharge element, with the following values being preferred in this sequence: 1 mAh/cm 2 , 3 mAh/cm 2 , 5 mAh/cm 2 , 10 mAh/cm 2 , 15 mAh/cm 2 , 20 mAh/cm 2 .

Кроме того присутствует возможность того, что отводящий элемент может быть выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены. При этом понятие ''трехмерная пористая металлическая структура'' означает любую состоящую из металла структуру, располагающуюся не только подобно тонкому металлическому листу или металлической фольге по длине и ширине плоского электрода, но и по его толщине. Трехмерная пористая металлическая структура настолько пориста, что активный материал отрицательного электрода может проникать в поры металлической структуры. Количеством проникшего или нанесенного активного материала определяется заряд отрицательного электрода. Если отводящий элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, тогда толщина отрицательного электрода составит преимущественно, по меньшей мере, 0,2 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мм, преимущественно, по меньшей мере, 0,4 мм, преимущественно, по меньшей мере, 0,5 мм, особо предпочтительно, по меньшей мере, 0,6 мм. В этом случае толщина электродов заметно больше по сравнению с отрицательными электродами, применяемыми в органических литий-ионных аккумуляторных элементах. Согласно другому оптимальному варианту выполнения предусмотрено, что поверхностная удельная емкость отрицательного электрода составляет при использовании трехмерного отводящего элемента, в частности, в виде металлической пены предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мАч/см2, причем в этой последовательности предпочтительны следующие показатели: 5 мАч/см2, 15 мАч/см2, 25 мАч/см2, 35 мАч/см2, 45 мАч/см2, 55 мАч/см2, 65 мАч/см2, 75 мАч/см2. Если отводящий элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, то количество активного материала отрицательного электрода, т.е. заряд электрода, в соотнесении с его поверхностью, составляет, по меньшей мере, 10 мг/см2, предпочтительно, по меньшей мере, 20 мг/см2, предпочтительно, по меньше мере, 40 мг/см2, предпочтительно, по меньшей мере, 60 мг/см2, предпочтительно, по меньшей мере, 80 мг/см2, особо предпочтительно, по меньшей мере, 100 мг/см2. Такой заряд отрицательного электрода положительно сказывается на процесс зарядки и разрядки повторно заряжаемого аккумуляторного элемента.In addition, there is the possibility that the wicking element can be made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of metal foam. The term "three-dimensional porous metal structure" here means any structure consisting of metal, located not only like a thin metal sheet or metal foil along the length and width of a flat electrode, but also along its thickness. The three-dimensional porous metal structure is so porous that the negative electrode active material can penetrate into the pores of the metal structure. The charge of the negative electrode is determined by the amount of active material that has penetrated or deposited. If the discharge element is made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam, then the thickness of the negative electrode will be preferably at least 0.2 mm, preferably at least 0.3 mm, preferably at least at least 0.4 mm, preferably at least 0.5 mm, particularly preferably at least 0.6 mm. In this case, the thickness of the electrodes is noticeably larger compared to the negative electrodes used in organic lithium-ion battery cells. According to another advantageous embodiment, it is provided that the surface specific capacity of the negative electrode, when using a three-dimensional wicking element, in particular in the form of a metal foam, is preferably at least 2.5 mAh/cm 2 , the following values being preferred in this order: 5 mAh/cm 2 , 15 mAh/cm 2 , 25 mAh/cm 2 , 35 mAh/cm 2 , 45 mAh/cm 2 , 55 mAh/cm 2 , 65 mAh/cm 2 , 75 mAh/cm 2 . If the discharge element is made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam, then the amount of active material of the negative electrode, i.e. the charge of the electrode, in relation to its surface, is at least 10 mg/cm 2 , preferably at least 20 mg/cm 2 , preferably at least 40 mg/cm 2 , preferably at least , 60 mg/cm 2 , preferably at least 80 mg/cm 2 , particularly preferably at least 100 mg/cm 2 . Such a negative electrode charge has a positive effect on the process of charging and discharging a rechargeable battery cell.

Согласно другому варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи по изобретению отрицательный электрод содержит, по меньше мере, одно связующее. Этим связующим является предпочтительно фторированное связующее, в частности, поливинилиденфторид и/или тройной сополимер, состоящий из тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида. Однако возможно и связующее, состоящее из одного полимера, образованного мономерными структурными звеньями сопряженной карбоновой кислоты, или из соли щелочного металла, соли щелочноземельного металла иди соли аммония сопряженной карбоновой кислоты или их комбинаций. Также связующее может состоять из полимера на основе мономерных звеньев стирола и бутадиена. Кроме того связующее может происходить из группы карбоксиметилцеллюлоз.According to another embodiment of the battery cell according to the invention, the negative electrode contains at least one binder. This binder is preferably a fluorinated binder, in particular polyvinylidene fluoride and/or a terpolymer consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and vinylidene fluoride. However, a binder is also possible, consisting of a single polymer formed by monomeric structural units of a conjugated carboxylic acid, or an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, or an ammonium salt of a conjugated carboxylic acid, or combinations thereof. Also, the binder may consist of a polymer based on monomer units of styrene and butadiene. In addition, the binder may come from the group of carboxymethyl celluloses.

Связующее присутствует в отрицательном электроде преимущественно при содержании не более 20 вес. %, предпочтительно не более 15 вес. %, предпочтительно не более 10 вес. %, предпочтительно не более 7 вес. %, предпочтительно не более 5 вес. % особо предпочтительно не более 2 вес. %, от общего веса отрицательного электрода.The binder is present in the negative electrode mainly at a content of not more than 20 wt. %, preferably not more than 15 wt. %, preferably not more than 10 wt. %, preferably not more than 7 wt. %, preferably not more than 5 wt. %, particularly preferably not more than 2 wt. %, based on the total weight of the negative electrode.

Согласно предпочтительному варианту в элементе аккумуляторной батареи по изобретению отрицательный электрод содержит, по меньшей мере, одну электропроводящую добавку. Электропроводящая добавка должна иметь предпочтительно незначительный вес, высокую химическую стойкость и большую удельную поверхность. Примерами электропроводящих добавок могут служить особый углерод (газовая сажа, Супер Р, ацетиленовая сажа), углеродные волокна (углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна), тонкодисперсные графиты и графен (нанолисты),According to a preferred embodiment, in the battery cell of the invention, the negative electrode contains at least one electrically conductive additive. The electrically conductive additive should preferably have a low weight, a high chemical resistance and a large specific surface area. Examples of electrically conductive additives are special carbon (carbon black, Super P, acetylene black), carbon fibers (carbon nanotubes, carbon nanofibers), fine graphites and graphene (nanosheets),

ЭлектролитElectrolyte

Преимущественные улучшения элемента аккумуляторной батареи в отношении элекролита на основе SO2 описаны ниже.Advantageous battery cell improvements with respect to SO 2 based electrolyte are described below.

Согласно одному из вариантов выполнения элемента аккумуляторной батареи заместители R1, R2, R3, R4 первой соли, повышающей электропроводность электролита, выбраны независимо друг от друга из группы, состоящей из:According to one embodiment of the battery cell, the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 of the first electrolyte conductivity increasing salt are independently selected from the group consisting of:

- C16 алкил; предпочтительно С24 алкил; более предпочтительно алкильные группы 2-пропил, метил и этил;- C 1 -C 6 alkyl; preferably C 2 -C 4 alkyl; more preferably alkyl groups 2-propyl, methyl and ethyl;

- С26 алкенил; предпочтительно С24 алкенил; более предпочтительно алкенильные группы этенил и пропенил;- C 2 -C 6 alkenyl; preferably C 2 -C 4 alkenyl; more preferably ethenyl and propenyl alkenyl groups;

- С26 алкинил; предпочтительно С24 алкинил;- C 2 -C 6 alkynyl; preferably C 2 -C 4 alkynyl;

- С36 циклоалкил;- C 3 -C 6 cycloalkyl;

- фенил; и С57 гетероарил.- phenyl; and C 5 -C 7 heteroaryl.

В случае этого предпочтительного варианта выполнения электролита на основе SO2 понятие термин ''C16 алкил'' включает линейные или разветвленные насыщенные углеводородные группы, содержащие от одного до шести атомов углерода, в частности метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, втор-бутил, изобутил, трет-бутил, н-пентил, изопентил, 2,2-диметилпропил, н-гексил и изогексил. С24 алкилы являются предпочтительными среди указанных групп.С24 алкилы 2-пропил, метил и этил являются наиболее предпочтительными.In the case of this preferred embodiment of the electrolyte based on SO 2 , the term "C 1 -C 6 alkyl" includes linear or branched saturated hydrocarbon groups containing from one to six carbon atoms, in particular methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl , n-butyl, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl, n-pentyl, isopentyl, 2,2-dimethylpropyl, n-hexyl and isohexyl. C 2 -C 4 alkyls are preferred among these groups. C 2 -C 4 alkyls 2-propyl, methyl and ethyl are most preferred.

В случае этого предпочтительного варианта осуществления электролита на основе SO2, термин ''С26 алкенил'' включает ненасыщенные линейные или разветвленные углеводородные группы, содержащие от двух до шести атомов углерода, при этом указанные углеводородные группы имеют по меньшей мере одну двойную связь С-С. Они включают, в частности, этенил, 1-пропенил, 2-пропенил, 1-н-бутенил, 2-н-бутенил, изобутенил, 1-пентенил и 1-гексенил, при этом С24 алкенилы являются предпочтительными. Этенил и 1-пропенил являются наиболее предпочтительными.In the case of this preferred embodiment of the SO 2 electrolyte, the term "C 2 -C 6 alkenyl" includes unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to six carbon atoms, said hydrocarbon groups having at least one double S-S connection. They include in particular ethenyl, 1-propenyl, 2-propenyl, 1-n-butenyl, 2-n-butenyl, isobutenyl, 1-pentenyl and 1-hexenyl, with C 2 -C 4 alkenyls being preferred. Ethenyl and 1-propenyl are most preferred.

В случае этого предпочтительного варианта осуществления электролита на основе SO2, термин ''С26 алкинил'' включает ненасыщенные линейные или разветвленные углеводородные группы, содержащие от двух до шести атомов углерода, при этом указанные углеводородные группы имеют по меньшей мере одну тройную связь С-С. Они включают в частности этинил, 1-пропинил, 2-пропинил, 1-н-бутинил, 2-н-6утинил, изобутинил, 1-пентинил и 1-гексинил. Предпочтительными среди них являются С24 алкинилы.In the case of this preferred embodiment of the SO 2 electrolyte, the term "C 2 -C 6 alkynyl" includes unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to six carbon atoms, said hydrocarbon groups having at least one triple S-S connection. They include in particular ethynyl, 1-propynyl, 2-propynyl, 1-n-butynyl, 2-n-6utynyl, isobutynyl, 1-pentynyl and 1-hexynyl. Preferred among them are C 2 -C 4 alkynyls.

Б случае этого предпочтительного варианта осуществления электролита на основе SO2, термин ''С36 цикл о алкил'' включает циклические насыщенные углеводородные группы, содержащие от трех до шести атомов углерода. Они включают в частности циклопропил, циклобутил, циклопентил и циклогексил.In the case of this preferred embodiment of the SO 2 electrolyte, the term "C 3 -C 6 cyclic o alkyl" includes cyclic saturated hydrocarbon groups containing from three to six carbon atoms. They include in particular cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl and cyclohexyl.

В случае этого предпочтительного варианта осуществления электролита на основе SO2, термин ''С57 гетер о ар ил'' включает фенил и нафтил.In the case of this preferred embodiment of the SO 2 based electrolyte, the term ''C 5 -C 7 hetero o aryl'' includes phenyl and naphthyl.

В целях увеличения растворимости первой проводящей соли, в электролите на основе SO2 заместители R1, R2, R3, R4 являются замещенными в другом варианте выполнения элемента аккумуляторной батареи, по меньшей мере, одним атомом фтора и/или, по меньшей мере, одной химической группой, причем эта группа выбирается из группы, состоящей из С14 алкила, С24 алкенил а, С24 алкинила, фенила, и бензила. Химические группы С24 алкил, С24 алкенил, С24 алкинил, фенил, и бензил обладают те ми же свойствами или химическими структурами, что и описанные ранее углеводородные группы. В этой связи понятие ''замещенный'' означает, что отдельные атомы или группы атомов заместителей R1, R2, R3, R4 замещены атомом фтора и/или указанной химической группой.In order to increase the solubility of the first conductive salt, in the SO 2 electrolyte, the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are substituted in another embodiment of the battery cell with at least one fluorine atom and/or at least , one chemical group, and this group is selected from the group consisting of C 1 -C 4 alkyl, C 2 -C 4 alkenyl a, C 2 -C 4 alkynyl, phenyl, and benzyl. The chemical groups C 2 -C 4 alkyl, C 2 -C 4 alkenyl, C 2 -C 4 alkynyl, phenyl, and benzyl have the same properties or chemical structures as the previously described hydrocarbon groups. In this regard, the term "substituted" means that individual atoms or groups of atoms of the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are replaced by a fluorine atom and/or a specified chemical group.

Особенно большая растворимость первой проводящей соли в электролите на основе SO2 может достигаться в результате того, что, по меньшей мере, один из заместителей R1, R2, R3, R4 будет являться группой CF3 или группой OSO2CF3.Particularly high solubility of the first conductive salt in the SO 2 -based electrolyte can be achieved by having at least one of the R 1 , R 2 , R 3 , R 4 substituents a CF 3 group or an OSO 2 CF 3 group.

В дальнейшем преимущественном выполнении элемента аккумуляторной батареи первая проводящая соль выбирается из группы, состоящей из:In a further preferred embodiment of the battery cell, the first conductive salt is selected from the group consisting of:

Figure 00000004
Figure 00000004

Для приведения электропроводности и/или других свойств электролита в соответствие с требуемым показателем электролит содержит, согласно предочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи по изобретению, по меньшей мере, одну вторую проводящую соль и отличающуюся от первой проводящей соли формулы (I). Это означает, что электролит может содержать помимо первой проводящей соли, также и вторую или вторые проводящие соли, которые по своему химическому составу и химической структуре отличаются от первой проводящей соли.In order to bring the electrical conductivity and/or other properties of the electrolyte in line with the desired indicator, the electrolyte contains, according to a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, at least one second conductive salt and different from the first conductive salt of formula (I). This means that the electrolyte can contain, in addition to the first conductive salt, also the second or second conductive salts, which differ in their chemical composition and chemical structure from the first conductive salt.

В дальнейшем предпочтительном варианте осуществлении элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению вторая проводящая соль, является соединением щелочного металла, в частности, соединением лития. Соединение щелочного металла или соединение лития выбираются из группы, состоящей из алюмината, галогенида, оксалата, бората, фосфата, арсената и галлата. Предпочтительно второй проводящей солью является тетрагалогеноалюминат лития, в частности, LiAlCl4.In a further preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the second conductive salt is an alkali metal compound, in particular a lithium compound. The alkali metal compound or lithium compound is selected from the group consisting of aluminate, halide, oxalate, borate, phosphate, arsenate and gallate. Preferably, the second conductive salt is lithium tetrahaloaluminate, in particular LiAlCl 4 .

Кроме того, согласно другому варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи, согласно изобретению, в электролите содержится, по меньшей мере, одна добавка. Эта добавка предпочтительно выбирается из группы, состоящей из виниленкарбоната и его производных, винилэтиленкарбоната и его производных, метилэтиленкарбоната и его производных, (бис-оксилат)бората лития, дифтор(оксалат)бората лития, тетрафтор(оксалат)фосфата лития, оксалата лития, 2-винилпиридина, 4-винилпиридина, циклических экзометиленкарбонатов, сультонов, циклических и ациклических сульфонатов, ациклических сульфитов, циклических и ациклических сульфинатов, органических сложных эфиров неорганических кислот, ациклических и циклических алканов, которые (ациклические и циклические алканы) имеют точку кипения при давлении 1 атм, по меньшей мере, 36°С, ароматических соединений, галогенизированных циклических и ациклических сульфонилимидов, галогенизированных циклических и ациклических сложных эфиров фосфата, галогенизированных циклических и ациклических фосфинов, галогенизированных циклических и ациклических фосфитов, галогенизированных циклических и ациклических фосфазенов, галогенизированных циклических и ациклических силиламинов, галогенизированных циклических и ациклических сложных эфиров, галогенизированных циклических и ациклических амидов, галогенизированных циклических и ациклических ангидридов и галогенизированных органических гетероциклов.In addition, according to another embodiment of the battery cell according to the invention, at least one additive is contained in the electrolyte. This additive is preferably selected from the group consisting of vinylene carbonate and its derivatives, vinylethylene carbonate and its derivatives, methylethylene carbonate and its derivatives, lithium (bis-oxylate)borate, lithium difluoro(oxalate)borate, lithium tetrafluoro(oxalate)phosphate, lithium oxalate, 2 -vinylpyridine, 4-vinylpyridine, cyclic exomethylene carbonates, sultones, cyclic and acyclic sulfonates, acyclic sulfites, cyclic and acyclic sulfinates, organic esters of inorganic acids, acyclic and cyclic alkanes, which (acyclic and cyclic alkanes) have a boiling point at a pressure of 1 atm at least 36°C, aromatic compounds, halogenated cyclic and acyclic sulfonylimides, halogenated cyclic and acyclic phosphate esters, halogenated cyclic and acyclic phosphines, halogenated cyclic and acyclic phosphites, halogenated cyclic and acyclic phosphazenes, halogenation halogenated cyclic and acyclic silylamines, halogenated cyclic and acyclic esters, halogenated cyclic and acyclic amides, halogenated cyclic and acyclic anhydrides and halogenated organic heterocycles.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения элемента аккумуляторной батареи электролит имеет следующий состав в соотношении к общему весу электролита:In another preferred embodiment of the battery cell, the electrolyte has the following composition in relation to the total weight of the electrolyte:

(i) от 5 до 99,4 вес. % диоксида серы,(i) 5 to 99.4 wt. % sulfur dioxide,

(ii) от 0,6 до 95 вес. % указанной первой проводящей соли,(ii) from 0.6 to 95 wt. % of said first conductive salt,

(iii) от 0 до 25 вес. % указанной второй проводящей соли и(iii) 0 to 25 wt. % of said second conductive salt and

(iv) от 0 до 10 вес. % добавки.(iv) 0 to 10 wt. % additive.

Как упоминалось выше, в электролите могут содержаться не только одна первая проводящая соль формулы (1) и одна вторая проводящая соль, но также и несколько первых проводящих солей формулы (1) и несколько вторых проводящих солей. Приведенные выше процентные доли содержат в себе в последнем случае также несколько первых и несколько вторых проводящих солей. Концентрация первой проводящей соли составляет от 0,01 до 10 моль/л, предпочтительно от 0,05 до 10 моль/л, предпочтительно от 0,1 до 6 моль/л, особо предпочтительно от 0,2 до 3,5 моль/л, от общего объема электролита.As mentioned above, the electrolyte may contain not only one first conductive salt of formula (1) and one second conductive salt, but also several first conductive salts of formula (1) and several second conductive salts. The percentages given above also include, in the latter case, a few first and a few second conductive salts. The concentration of the first conductive salt is 0.01 to 10 mol/l, preferably 0.05 to 10 mol/l, preferably 0.1 to 6 mol/l, particularly preferably 0.2 to 3.5 mol/l , from the total electrolyte volume.

Другим преимущественным вариантом развития элемента аккумуляторной батареи, согласно изобретению, предусмотрено, что в электролите содержится, по меньшей мере, 0,1 моль SO2, предпочтительно, по меньшей мере, 1 моль SO2, предпочтительно, по меньшей мере, 5 моль SO2, предпочтительно, по меньшей мере, 10 моль SO2, особо предпочтительно, по меньшей мере, 20 моль SO2, на 1 моль проводящей соли. В электролите могут также содержаться очень большие молярные доли SO2, причем предпочтительный верхний предел может составлять 2600 моль на 1 моль поводящей соли, причем в этой последовательности являются предпочтительными верхние пределы: 1500, 1000, 500 и 100 моль SO2 на 1 моль проводящей соли. Понятие ''на 1 моль проводящей соли'' относится при этом ко всем проводящим солям и содержащимся в электролите. Электролиты на основе SO2 с таким соотношением концентраций между SO2 и проводящей солью имеют то преимущество, что они по сравнению с известными из уровня техники электролитами, которые основаны, например, на смеси органических растворителей, могут растворять большее количество проводящей соли.Another advantageous development of the battery cell according to the invention provides that the electrolyte contains at least 0.1 mol SO 2 , preferably at least 1 mol SO 2 , preferably at least 5 mol SO 2 , preferably at least 10 mol SO 2 , particularly preferably at least 20 mol SO 2 per 1 mol of conductive salt. The electrolyte may also contain very high mole fractions of SO 2 , with a preferred upper limit being 2600 mol per mol of conductive salt, with the upper limits being preferred in this order: 1500, 1000, 500 and 100 mol SO 2 per 1 mol of conductive salt . The term "per 1 mol of conductive salt" refers here to all conductive salts contained in the electrolyte. Electrolytes based on SO 2 with this concentration ratio between SO 2 and conductive salt have the advantage that they can dissolve a larger amount of conductive salt compared to electrolytes known from the prior art, which are based, for example, on a mixture of organic solvents.

Согласно настоящего изобретения неожиданно было установлено, что электролит с относительно низкой концентрацией проводящей соли, несмотря на связанное с этим повышенное давление пара является предпочтительным, в частности, в связи с его стойкостью на протяжении многих циклов зарядки и разрядки элемента аккумуляторной батареи. Концентрация SO2 в электролите влияет на его электропроводность. Следовательно посредством выбора концентрации SO2 можно приводить в соответствие электропроводность электролита с запланированным применением элемента аккумуляторной батареи с таким электролитом.According to the present invention, it has surprisingly been found that an electrolyte with a relatively low concentration of conductive salt, despite the associated increased vapor pressure, is preferred, in particular due to its durability over many charging and discharging cycles of the battery cell. The concentration of SO 2 in the electrolyte affects its electrical conductivity. Therefore, by selecting the SO 2 concentration, it is possible to match the electrical conductivity of the electrolyte with the planned use of a battery cell with such an electrolyte.

Общее содержание SO3 и первой проводящей соли может быть более 50 вес. % от веса электролита, предпочтительно более 60 вес. %, предпочтительно более 70 вес. %, предпочтительно более 80 вес. %, предпочтительно более 85 вес. %, предпочтительно более 90 вес. %, предпочтительно более 95 вес. %, предпочтительно более 99 вес. %. В электролите может содержаться, по меньшей мере, 5 вес. % SO2 от общего количества содержащегося в элементе аккумуляторной батареи электролита, причем предпочтительными являются показатели 20 вес. %, 40 вес. %. и 60 вес. % SO2. Электролит может также содержать до 95 вес. % SO2, причем в этом ряду предпочтительными являются максимальные значения 80 вес. % и 90 вес. % SO2.The total content of SO3 and the first conductive salt may be more than 50 wt. % by weight of the electrolyte, preferably more than 60 wt. %, preferably more than 70 wt. %, preferably more than 80 wt. %, preferably more than 85 wt. %, preferably more than 90 wt. %, preferably more than 95 wt. %, preferably more than 99 wt. %. The electrolyte may contain at least 5 wt. % SO 2 of the total electrolyte contained in the battery cell, with 20 wt. %, 40 wt. %. and 60 wt. %SO2 . The electrolyte may also contain up to 95 wt. % SO 2 , and in this series the maximum values of 80 wt. % and 90 wt. %SO2 .

В рамках изобретения предусмотрено, что в электролите содержится предпочтительно лишь незначительная процентная доля, по меньшей мере, одного органического растворителя или он совсем не содержится. Предпочтительно доля органического растворителя в электролите, присутствующего, например, в виде одного растворителя или смеси из нескольких растворителей, может составлять не более 50 вес. % от веса электролита. Особо предпочтительны меньшие доли, составляющие не более 40 вес. %, не более 30 вес. %, не более 20 вес. %, не более 15 вес. %, не более 10 вес. %, не более 5 вес. % или не более 1 вес. % от веса электролита. Также предпочтителен электролит без содержания органических растворителей. Благодаря присутствию лишь незначительной доли органических растворителей или даже их полному отсутствию электролит является либо слабо горючим, либо вообще не горючим. Это повышает эксплуатационную надежность повторно заряжаемого аккумуляторного элемента, в котором применяется такой электролит на основе SO2. Особо предпочтителен электролит на основе SO2, не содержащий по существу органические растворители.Within the scope of the invention, it is provided that the electrolyte preferably contains only a small percentage of at least one organic solvent or is not present at all. Preferably, the proportion of the organic solvent in the electrolyte, present, for example, in the form of a single solvent or a mixture of several solvents, may not exceed 50 wt. % by weight of the electrolyte. Particularly preferred are smaller proportions of not more than 40 wt. %, not more than 30 wt. %, not more than 20 wt. %, not more than 15 wt. %, not more than 10 wt. %, not more than 5 wt. % or not more than 1 wt. % by weight of the electrolyte. An electrolyte free of organic solvents is also preferred. Due to the presence of only a small proportion of organic solvents, or even their complete absence, the electrolyte is either slightly flammable or not flammable at all. This improves the operational reliability of a rechargeable battery cell using such an SO 2 -based electrolyte. Particularly preferred is an SO 2 based electrolyte containing substantially no organic solvents.

Согласно преимущественного варианта настоящего изобретения электролит элемента аккумуляторной батареи, с учетом его общего веса, имеет следующий состав:According to an advantageous embodiment of the present invention, the battery cell electrolyte, based on its total weight, has the following composition:

(i) 5 - 99,4 вес. % диоксида серы,(i) 5 - 99.4 wt. % sulfur dioxide,

(ii) 0,6 - 95 вес. % первой проводящей соли,(ii) 0.6 - 95 wt. % first conductive salt,

(iii) 0 - 25 вес. % второй проводящей соли,(iii) 0 - 25 wt. % second conductive salt,

(iv) 0 - 10 вес. % добавки,(iv) 0-10 wt. % additive,

(v) 0 - 50 вес. % органического растворителя.(v) 0 - 50 wt. % organic solvent.

Активный металл.active metal.

Ниже приводится описание предпочтительных вариантов развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению в отношении активного металла.The following is a description of preferred embodiments of the battery cell according to the invention with respect to the active metal.

Согласно первому предпочтительному варианту в элементе аккумуляторной батареи активным металлом являются:According to the first preferred embodiment, in the battery cell, the active metal is:

- щелочной металл, в частности, литий или натрий,- an alkali metal, in particular lithium or sodium,

- щелочноземельный металл, в частности, кальций,- an alkaline earth metal, in particular calcium,

- металл из группы 12 Периодической системы элементов, в частности, цинк,- a metal from group 12 of the Periodic Table of the Elements, in particular zinc,

- алюминий.- aluminum.

Положительный электрод.positive electrode.

Ниже описаны предпочтительные варианты выполнения элемента аккумяуляторной батареи согласно изобретению в отношении положительного электрода.The preferred embodiments of the battery cell according to the invention with respect to the positive electrode are described below.

Согласно первому преимущественному варианту настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи предусмотрено, что положительный электрод может заряжаться, по меньшей мере, до достижения верхнего потенциала, равного 4,0 В, предпочтительного равного 4,4 В, предпочтительно равного, по меньшей мере, 4,8 В, предпочтительно равного, по меньшей мере, 5,2 В, предпочтительно равного, по меньшей мере, 5,6 В, особо предпочтительно равного, по меньшей мере, 6,0 В.According to a first advantageous embodiment of the present invention, it is provided in the battery cell that the positive electrode can be charged to at least an upper potential of 4.0 V, preferably 4.4 V, preferably at least 4.8 V, preferably at least 5.2 V, preferably at least 5.6 V, particularly preferably at least 6.0 V.

Согласно другому варианту развития элемента аккумуляторной батареи по изобретению положительный электрод содержит, по меньшей мере, один активный материал. Этот материал может накапливать ионы активного металла, отдавать и снова поглощать ионы активного металла во время эксплуатации аккумуляторного элемента.According to another embodiment of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains at least one active material. This material can accumulate active metal ions, give off and reabsorb active metal ions during the operation of the battery cell.

Согласно преимущественного варианта настоящего изобретения в элементе аккумуляторной батареи положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно интеркалярное соединение. Под понятием ''интеркалярное соединение'' подразумевается по настоящему изобретению подгруппа выше описанных материалов вкладки. Данное интеркалярное соединение выступает в качестве основной матрицы с вакансиями, связанными между собой. В эти вакансии могут диффундировать ионы активного металла в процессе разрядки элемента аккумуляторной батареи и там храниться. При таком внедрении ионов активного металла в основной матрице происходят лишь незначительные структурные изменения или они вообще не происходят.According to an advantageous embodiment of the present invention, in a battery cell, the positive electrode comprises at least one intercalary compound. The term ''intercalary compound'' refers to the present invention a subgroup of the above described insert materials. This intercalary compound acts as the main matrix with vacancies linked to each other. Active metal ions can diffuse into these vacancies during the discharge of the battery cell and be stored there. With such an incorporation of active metal ions, only insignificant structural changes occur in the main matrix or they do not occur at all.

Согласно предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи по изобретению положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно способное к превращению соединение. Под понятием ''способное к превращению соединение'' следует понимать в смысле настоящего изобретения материалы, которые во время электрохимической активности образуют другие материалы, т.е. во время зарядки и разрядки аккумуляторного элемента химические связи нарушаются и образуются новые. Во время поглощения или отдачи ионов активного металла в матрице способного к превращению соединения происходят структурные изменения.According to a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains at least one convertible compound. The term ''transformable compound'' is to be understood in the sense of the present invention as materials which, during electrochemical activity, form other materials, i.e. During the charging and discharging of a battery cell, chemical bonds are broken and new ones are formed. During absorption or release of active metal ions, structural changes occur in the matrix of the convertible compound.

Согласно предпочтительному варианту развития в элементе аккумуляторной батареи по изобретению активный материал имеет состав: AxM'yM''zOa. В этом составе AxM'yM''zOa означают:According to a preferred development in the battery cell according to the invention, the active material has the composition: A x M' y M''zO a . In this composition, A x M' y M'' z O a means:

- А - по меньшей мере, один металл, выбираемый из группы, состоящей из щелочных металлов, щелочноземельных металлов, металлов группы 12 Периодической системы элементов или алюминия,- A - at least one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, metals of group 12 of the Periodic Table of the Elements or aluminum,

- М' по меньшей мере, один металл, выбираемый из группы, состоящей из элементов: Ti, V, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn,- M' at least one metal selected from the group consisting of the elements: Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,

- М'' - по меньшей мере, один элемент, выбираемый из группы, состоящей из элементов групп 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 Периодической системы элементов,- M'' - at least one element selected from the group consisting of elements of groups 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16 of the Periodic element systems,

- х, у - независимо друг от друга, числа более 0,- x, y - independently of each other, numbers greater than 0,

- z число более или равное 0,- z is a number greater than or equal to 0,

- а - число более 0,- a - a number greater than 0,

- А - предпочтительно литий, т.е. соединение может иметь состав: LixM'yM''zOa. При этом индексы у, z в составе AxM'yM''zOa относятся к совокупности металлов и элементов, которые представлены через М', М'', соответственно. Если, например, М' относится к двум металлам М'1 и М'2, то тогда действительно для индекса у: y=y1+y2, где y1 и у2 означают металлы М'1 и М'2 Индексы х, у, z, а должны выбираться таким образом, чтобы соблюдалась нейтральность заряда внутри состава. Примерами соединений, у которых М' означает два металла, могут служить оксиды лития-никеля-марганца-кобальта в составе LixNiy1Mny2CozO2 with M'1=Ni, M'2=Mn and M''=Co.- A - preferably lithium, ie. the compound may have the composition: Li x M'yM'' z O a . In this case, the indices y, z in the composition A x M' y M'' z O a refer to the totality of metals and elements, which are represented through M', M'', respectively. If, for example, M' refers to two metals M' 1 and M' 2 , then it is valid for index y: y=y1+y2, where y1 and y2 mean metals M' 1 and M' 2 Indices x, y, z , and must be chosen in such a way that charge neutrality is maintained within the composition. Examples of compounds in which M' means two metals are oxides of lithium-nickel-manganese-cobalt in the composition of Li x Ni y1 Mn y2 Co z O 2 with M' 1= Ni, M' 2 =Mn and M''= Co.

Примерами для соединений, в которых z=0, т.е. отсутствует дополнительный металл или элемент М'', являются оксиды лития-кобальта LixCoyOa.. Если, например, М'' означает два элемента, из которых один -металл М''1, а другой элемент -фосфор в качестве М''2, то для индекса z будет действительно: z: z=z1+z2, при этом z1, z2 означают металл М''1 и фосфор (М''2). Индексы х, у, z, а должны выбираться так, чтобы внутри состава обеспечивалась нейтральность заряда.Examples for compounds in which z=0, i.e. there is no additional metal or element M'', are oxides of lithium-cobalt Li x Co y O a .. If, for example, M'' means two elements, of which one is metal M'' 1 and the other element is phosphorus as M'' 2 , then for index z it will be valid: z: z=z1+z2, while z1, z2 mean metal M'' 1 and phosphorus (M'' 2 ). The indices x, y, z, and must be chosen so that charge neutrality is ensured within the composition.

Примерами для соединений, в которых z=0, т.е. отсутствует дополнительный металл или элемент М'', являются оксиды лития-кобальта LixCoyOa.. Если, например, М'' означает два элемента, из которых один -металл М''1, а другой элемент -фосфор в качестве М''2, то для индекса z будет действительно: z: z=z1+z2, при этом z1, z2 означают металл М''1 и фосфор (M''2), индексы металла М''1 и фосфора (М''2). Индексы х, у, z, а должны выбираться так, чтобы внутри состава обеспечивалась нейтральность заряда.Examples for compounds in which z=0, i.e. there is no additional metal or element M'', are oxides of lithium-cobalt Li x Co y O a .. If, for example, M'' means two elements, of which one is metal M'' 1 and the other element is phosphorus as M'' 2 , then for index z it will be valid: z: z=z1+z2, while z1, z2 mean metal M'' 1 and phosphorus (M'' 2 ), indices of metal M'' 1 and phosphorus (M '' 2 ). The indices x, y, z, and must be chosen so that charge neutrality is ensured within the composition.

Примерами соединений, в которых означают: А - литий, М'' - металл М - и фосфор, тогда М''2 являются фосфаты лития-железа-марганца LixFeyMnz1Pz2O4 при A=Li, М'=Fe, М''1=Mn и М''2=Р and z2=1.Examples of compounds in which they mean: A - lithium, M '' - metal M - and phosphorus, then M '' 2 are lithium-iron-manganese phosphates Li x Fe y Mn z1 P z2 O 4 at A \u003d Li, M ' =Fe, M'' 1 =Mn and M'' 2 =P and z2=1.

В другом составе М'' может означать два неметалла, например, фтор в качестве М''1 и сера в качестве М''2. Примерами таких соединений служат сульфаты лития-железа-фтора LixFeyFz1Sz2O4, где А - Li, М' - железо, М''1 - фтор и М''2 - фосфор.In another composition, M'' can mean two non-metals, for example, fluorine as M'' 1 and sulfur as M'' 2 . Examples of such compounds are lithium-iron-fluorine sulfates Li x Fe y F z1 S z2 O 4 where A is Li, M' is iron, M'' 1 is fluorine and M'' 2 is phosphorus.

Согласно предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи по изобретению предусмотрено, что М' означает металлы никеля и марганец, М'' - кобальт.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that M' means the metals nickel and manganese, M'' means cobalt.

При этом речь может идти о составах формулы LixNiy1Mny2CozO2 (NMC), т.е. об оксидах лития-никеля-марганца-кобальта, имеющих структуру слоистых оксидов. Примерами таких активных материалов из оксида лития-никеля-марганца-кобальта являются LiNi1/3Mn1/3Co1/3О2 (NMC111), LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (NMC622) and LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811). Другие соединения из оксида лития-никеля-марганца-кобальта могут содержать составы: LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2, LiNi0.5Mn0.25Co0.25O2, LiNi0.52Mn0.32Co0.16O2, LiNi0.55Mno.30Co0.15O2, LiNi0.58Mn0.14Co0.28O2, LiNi0.64Mn0.18Co0.18O2, LiNi0.65Mn0.27Co0.08O2, LiNi0.7Mn0.2Co0.1О2, LiNi0.7Mn0.15Co0.15O2, LiNi0.72Mn0.10Co0.18O2, LiNi0.76Mn0.140.10O2, LiNi0.86Mn0.040.10O2, LiNi0.90Mn0.05Co0.05O2, LiNi0.95Mn0.0250.025O2 или их комбинация. Посредством этих соединений могут быть изготовлены положительные электроды для элементов аккумуляторных батарей с напряжением элемента свыше 4,6 В. Согласно другому предпочтительному варианту развития элемента аккумулятроной батареи по изобретению предусмотрено, что под активным материалом имеется в виду оксид металла с большим содержанием лития и марганца. Этот оксид металла может содержать состав LixMnyM''zOa. Следовательно М' означает в приведенной выше формуле LixM'yM''zOa марганец (Мn).In this case, we can talk about compositions of the formula Li x Ni y1 Mn y2 Co z O 2 (NMC), i.e. about oxides of lithium-nickel-manganese-cobalt having the structure of layered oxides. Examples of such lithium-nickel-manganese-cobalt oxide active materials are LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC111), LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMC622) and LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (NMC811). Other lithium-nickel-manganese-cobalt oxide compounds may contain the compositions: LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.25Co 0.25 O 2 , LiNi 0.52 Mn 0.32 Co 0.16 O 2 , LiNi 0.55 Mno.30Co 0.15 O 2 , LiNi 0.58 Mn 0.14 Co 0.28 O 2 , LiNi 0.64 Mn 0.18 Co 0.18 O 2 , LiNi 0.65 Mn 0.27 Co 0.08 O 2 , LiNi 0.7 Mn 0.2 Co 0.1 O 2 , LiNi 0.7 Mn 0.15 Co 0.15 Co 0.15 0.10 Co 0.18 O 2 , LiNi 0.76 Mn 0.76 Mn 0.14 Co 0.10 O 2 , LiNi 0.86 Mn 0.04 Co 0.10 O 2 , LiNi 0.90 Mn 0.05 Co 0.05 O 2 , LiNi 0.95 Mn 0.025 Co 0.025 O 2 or their combination. By means of these connections, positive electrodes can be produced for battery cells with cell voltages above 4.6 V. According to another preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the active material is a metal oxide with a high content of lithium and manganese. This metal oxide may contain the composition Li x Mn y M'' z O a . Therefore, M' means in the above formula Li x M' y M'' z O a manganese (Mn).

Здесь индекс х больше или равен 1, индекс у больше индекса z или суммы z1+z2+z3 и т.д.. Если, например, М''включает в себя два металла М''1иМ''2 с индексами z1 и z2 (например, Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2, где: M''1=Niz1=0,175 и М''2=Со z2=0,1), то для индекса убудет действительно: y>z1+z2. Индекс z больше или равен 0, индекс а больше 0. Индексы х, у и z, а следует выбирать таким образом, чтобы внутри состава обеспечивалась нейтральность заряда. Оксиды металлов с большим содержанием лития и марганца могут быть также описаны формулой mLi2MnО3⋅(1-m)LiМ'О2, где: 0<m<1. Примерами таких соединений могут служить Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2, Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 or Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2..Here index x is greater than or equal to 1, index y is greater than index z or the sum z1+z2+z3, etc. If, for example, M '' includes two metals M''1 and M''2 with indices z1 and z2 (for example, Li 1.2 Mn 0.525 Ni 0.175 Co 0.1 O 2 , where: M'' 1= Niz1=0.175 and M'' 2 =Co z2=0.1), then for the index it will actually decrease: y>z1+z2 . The index z is greater than or equal to 0, the index a is greater than 0. The indices x, y and z, a should be chosen in such a way that charge neutrality is ensured within the composition. Metal oxides with a high content of lithium and manganese can also be described by the formula mLi 2 MnO3⋅(1-m)LiM'O 2 , where: 0<m<1. Examples of such compounds are Li 1.2 Mn 0.525 Ni 0.175 Co 0.1 O 2 , Li 1.2 Mn 0.6 Ni 0.2 O 2 or Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2 ..

Согласно другому предпочтительному варианту развития в элементе акумуляторной батареи согласно изобретению предусмотрено, что состав отвечает формуле AxM'yM''zO4. Данные соединения имеют структуру типа шпинели. Например, могут быть: А - литий, М' - кобальт и М'' - марганец. В таком случае, применительно к активному материалу, речь идет об оксиде лития-кобальта-марганца (LiCoMnО4). С помощью LiCоМnO4 могут изготавливаться положительные электроды для элементов аккумуляторных батарей с напряжением на элементе свыше 4,6 В. В этом LiCoMnО4 предпочтительно отсутствует Мn3+. В другом примере в качестве М' могут быть никель и марганец. В этом случае речь идет применительно к активному материалу об оксиде лития-никеля-марганца (LiNiMnO4). Молярные доли обоих металлов М' и М'' могут варьироваться. Оксид лития-никеля-марганца может иметь, например, состав LiNi0.5Mn1.5O4.According to another preferred development, the battery cell according to the invention provides that the composition corresponds to the formula A x M' y M'' z O 4 . These compounds have a spinel type structure. For example, there may be: A - lithium, M' - cobalt and M'' - manganese. In this case, in relation to the active material, we are talking about the oxide of lithium-cobalt-manganese (LiCoMnO 4 ). LiCoMnO 4 can be used to produce positive electrodes for battery cells with cell voltages above 4.6 V. This LiCoMnO 4 preferably lacks Mn 3+ . In another example, M' may be nickel and manganese. In this case, the active material is lithium-nickel-manganese oxide (LiNiMnO 4 ). The molar fractions of both metals M' and M'' may vary. Lithium-nickel-manganese oxide may, for example, have the composition LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .

В качестве активного материала положительный электрод содержит согласно предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи, по меньшей мере, один активный материал, являющийся способным к превращению соединением. Во время поглощения активного металла, например, лития или натрия, способные к превращению соединения проходят через твердофазную окислительно-восстановительную реакцию, во время которой изменяется кристаллическая структура материала. Это происходит при разрыве и рекомбинации химических связей. Полностью обратимые реакции способных к превращению соединений могут быть записаны, например, следующим образом:According to a preferred embodiment of the battery cell, as active material, the positive electrode contains at least one active material which is a convertible compound. During absorption of an active metal, such as lithium or sodium, the convertible compounds undergo a solid phase redox reaction during which the crystal structure of the material changes. This occurs when chemical bonds break and recombine. Completely reversible reactions of convertible compounds can be written, for example, as follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Примеры конверсионных соединений: FeF2, FeF3, CоF2, CuF2, NiF2, BiF3, FeCl3, FeCl2, CоCl2, NiCl2, CuCl2, AgCl, LiCl, S, Li2S, Se, Li2Se, Те, I и LiI.Examples of conversion compounds: FeF 2 , FeF 3 , CoF 2 , CuF 2 , NiF 2 , BiF 3 , FeCl 3 , FeCl 2 , CoCl 2 , NiCl 2 , CuCl 2 , AgCl, LiCl, S, Li 2 S, Se, Li 2 Se, Te, I and LiI.

Согласно предпочтительному варианту соединение имеет состав: AxM'yM''z1M''z2O4 где: М'' -фосфор и z2 равен 1. Соединение, имеющее состав LixM'yM''z1M''Z2O4 представляет собой так называемые металлические фосфаты лития. В частности, это соединение имеет состав LixFeyMnz1Pz2O4. Примерами металлических фосфатов лития являются фосфат лития-железа (LiFePО4)) или фосфаты лития-железа-марганца (Li(FeyMnz)PО4). Примером фосфата лития-железа-марганца служит фосфат, имеющий состав Li(Fe0.3Mn0.7)PО4. Примером фосфата лития-железа-марганца является фосфат, имеющий состав Li(Fe0.3Mn0.7)PО4. Также в аккумуляторном элементе согласно изобретению могут применяться металлические фосфаты лития с другими составами.In a preferred embodiment, the compound has the composition: A x M' y M'' z1 M'' z2 O 4 where: M'' is phosphorus and z2 is 1. A compound having the composition Li x M' y M'' z1 M'' Z2 O 4 are the so-called lithium metal phosphates. In particular, this compound has the composition Li x Fe y Mn z1 P z2 O 4 . Examples of lithium metal phosphates are lithium iron phosphate (LiFePO 4 )) or lithium iron manganese phosphates (Li(Fe y Mn z )PO 4 ). An example of lithium-iron-manganese phosphate is a phosphate having the composition Li(Fe 0.3 Mn 0.7 )PO 4 . An example of lithium-iron-manganese phosphate is a phosphate having the composition Li(Fe 0.3 Mn 0.7 )PO 4 . Lithium metal phosphates with other compositions can also be used in the battery cell according to the invention.

Согласно предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению предусмотрено, что положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно соединение металла. Это соединение металла выбирается из группы, состоящей из оксида металла, галогенида металла или фосфата металла. Предпочтительно металлом этого соединения является переходный металл с порядковым номером от 22 до 28 Периодической системы элементов, в частности, кобальт, никель или железо. Согласно другому предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению предусмотрено, что положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно соединение металла, имеющее химическую структуру шпинели, слоистого оксида, способного к превращению соединения или полианионного соединения. Также изобретением предусмотрено, что положительный электрод содержит в качестве активного материала, по меньшей мере, одно из описанных соединений или их комбинацию. Под комбинацией соединений понимается положительный электрод, содержащий, по меньшей мере, два из описанных материалов. Согласно предпочтительному варианту развития аккумуляторного элемента по изобретению предусмотрено, что положительный электрод содержит отводящий элемент. Это означает, что в положительном электроде помимо активного материала предусмотрен также отводящий элемент. Этот отводящий элемент предназначен для того, чтобы можно было обеспечить необходимое электронопроводящее подключение активного материала в качестве положительного электрода. Для этого отводящий элемент контактирует с активным материалом, участвующим в электродной реакции положительного электрода. Этот отводящий элемент выполнен плоским в виде тонкого металлического листа или тонкой металлической фольги. Предпочтительно тонкая металлическая фольга имеет дырчатую или сетчатую структуру. Плоский отводящий элемент может состоять также из полимерной пленки с металлическим покрытием. Такие металлические покрытия имеют толщину в диапазоне от 0,1 до 20 мкм. Активный материал положительного электрода нанесен предпочтительно на поверхность тонкого металлического листа, тонкой металлической фольги или полимерной пленки с металлическом покрытием. Нанесение активного материала может производиться на лицевую и/или обратную сторону плоского отводящего элемента. Подобные плоские отводящие элементы имеют толщину в диапазоне от 5 до 50 мкм. Предпочтительна толщина плоского отводящего элемента от 10 до 30 мкм. При использовании плоских отводящих элементов общая толщина положительного электрода может составить, по меньшей мере, 20 мкм, предпочтительно, по меньшей мере, 40 мкм, особо предпочтительно, по меньшей мере, 60 мкм. Максимальная толщина составляет не более 200 мкм, предпочтительно не более 150 мкм, особо предпочтительно не более 100 мкм. Поверхностно-удельная емкость положительного электрода, отнесенная к покрытию на одной стороне, составляет при использовании плоского отводящего элемента преимущественно, по меньшей мере, 0,5 мА.ч/см2, причем в этой последовательности предпочтительными являются следующие показатели: 1 мАч/см2, 3 мАч/см2, 5 мАч/см2, 10 мАч/см2, 15 мАч/см2, 20 мАч/см2.According to a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided that the positive electrode contains at least one metal compound. This metal compound is selected from the group consisting of a metal oxide, a metal halide or a metal phosphate. Preferably the metal of this compound is a transition metal with an atomic number of 22 to 28 of the Periodic Table of the Elements, in particular cobalt, nickel or iron. According to another preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the positive electrode contains at least one metal compound having the chemical structure of a spinel, a layered oxide, a convertible compound or a polyanionic compound. The invention also provides that the positive electrode contains as an active material at least one of the described compounds or a combination thereof. By compound combination is meant a positive electrode containing at least two of the described materials. According to a preferred embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided that the positive electrode comprises a discharge element. This means that, in addition to the active material, a diverting element is also provided in the positive electrode. This diverting element is designed to be able to provide the necessary electrically conductive connection of the active material as a positive electrode. To do this, the diverting element is in contact with the active material involved in the electrode reaction of the positive electrode. This outlet element is made flat in the form of a thin metal sheet or thin metal foil. Preferably, the thin metal foil has a perforated or mesh structure. The flat wicking element can also consist of a metal-coated plastic film. Such metallic coatings have a thickness in the range of 0.1 to 20 µm. The positive electrode active material is preferably deposited on the surface of a thin metal sheet, a thin metal foil or a metal-coated polymer film. The application of the active material can be carried out on the front and/or back side of the flat wicking element. Such flat outlet elements have a thickness in the range of 5 to 50 µm. The thickness of the flat outlet element is preferably from 10 to 30 µm. When flat discharge elements are used, the total thickness of the positive electrode can be at least 20 µm, preferably at least 40 µm, particularly preferably at least 60 µm. The maximum thickness is at most 200 µm, preferably at most 150 µm, particularly preferably at most 100 µm. The surface-specific capacitance of the positive electrode, referred to the coating on one side, is preferably at least 0.5 mAh/cm 2 when using a flat discharge element, with the following values being preferred in this order: 1 mAh/cm 2 , 3 mAh/cm 2 , 5 mAh/cm 2 , 10 mAh/cm 2 , 15 mAh/cm 2 , 20 mAh/cm 2 .

Кроме того имеется возможность выполнения отводящего элемента положительного электрода трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены. Трехмерная пористая металлическая структура является настолько пористой, что активный материал положительного электрода проникает в поры металлической структуры. Количеством внедрившегося или нанесенного активного материала определяется заряд положительного электрода. Если отводящий элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, то в этом случае толщина положительного электрода составит предпочтительно, по меньшей мере, 0,2 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мм, предпочтительно, по меньше мере, 0,4 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,5 мм, особо предпочтительно, по меньшей мере, 0,6 мм. Другим предпочтительным вариантов выполнения предусмотрено, что поверхностно-удельная емкость положительного электрода при использовании трехмерного отводящего элемента, в частности, в виде металлической пены, составляет предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мАч/см2, при этом в такой последовательности предпочтительными являются следующие показатели: 5 мАч/см2, 15 мАч/см2, 25 мАч/см2, 35 мАч/см2, 45 мАч/см2, 55 мАч/см2, 65 мАч/см2, 75 мАч/см2. Если отводящий элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, то количество активного материала в положительном электроде, т.е. заряд электрода, составляет в соотнесении с его поверхностью, по меньшей мере, 10 мг/см2, предпочтительно 20 мг/см2, предпочтительно, по меньшей мере, 40 мг/см2, предпочтительно, по меньше мере, 60 мг/см2, предпочтительно, по меньшей мере, 80 мг/см2, особо предпочтительно, по меньшей мере, 100 мг/см2. Такой заряд положительного электрода благоприятно сказывается на процессе зарядки и процессе разрядки элемента аккумуляторной батареи. Согласно другому предпочтительному варианту развития аккумуляторного элемента по изобретению положительный электрод имеет, по меньшей мере, одно связующее. Это связующее представляет собой предпочтительно фторированное связующее, в частности, поливинилиденфторид и/или тройной сополимер, состоящий из тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида. Им может быть также связующее, которое состоит из полимера, полученного из мономерных структурных звеньев сопряженной карбоновой кислоты или из соли щелочного металла, щелочноземельного металла или аммония этой сопряженной карбоновой кислоты или из их комбинации. Также связующее может состоять из полимера, основанного на мономерных структурных звеньях стирола и бутадиена. Кроме того, связующее может происходить из группы карбоксиметиловых целлюлоз. Связующе присутствует в положительном электроде предпочтительно в количестве не более 20 вес. %, предпочтительно не более 10 вес. %, предпочтительно не более 7 вес. %, предпочтительно не более 5 вес. %, особо предпочтительно не более 2 вес. % от общего веса положительного электрода.In addition, it is possible to make the positive electrode outlet element three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of metal foam. The three-dimensional porous metal structure is so porous that the positive electrode active material penetrates into the pores of the metal structure. The amount of active material incorporated or deposited determines the charge on the positive electrode. If the diverting element is made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam, then in this case the thickness of the positive electrode will preferably be at least 0.2 mm, preferably at least 0.3 mm, preferably , at least 0.4 mm, preferably at least 0.5 mm, particularly preferably at least 0.6 mm. Another preferred embodiment provides that the surface specific capacity of the positive electrode when using a three-dimensional diverting element, in particular in the form of a metal foam, is preferably at least 2.5 mAh/cm 2 , while in this order the following are preferred indicators: 5 mAh / cm 2 , 15 mAh / cm 2 , 25 mAh / cm 2 , 35 mAh / cm 2 , 45 mAh / cm 2 , 55 mAh / cm 2 , 65 mAh / cm 2 , 75 mAh / cm 2 . If the discharge element is three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam, then the amount of active material in the positive electrode, i.e. the charge of the electrode, in relation to its surface, is at least 10 mg/cm 2 , preferably 20 mg/cm 2 , preferably at least 40 mg/cm 2 , preferably at least 60 mg/cm 2 , preferably at least 80 mg/cm 2 , particularly preferably at least 100 mg/cm 2 . Such a positive electrode charge favorably affects the charging process and the discharging process of the battery cell. According to another preferred development of the battery cell according to the invention, the positive electrode has at least one binder. This binder is preferably a fluorinated binder, in particular polyvinylidene fluoride and/or a terpolymer consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and vinylidene fluoride. It may also be a binder which consists of a polymer derived from monomeric structural units of a conjugated carboxylic acid or from an alkali metal, alkaline earth metal or ammonium salt of this conjugated carboxylic acid, or a combination thereof. Also, the binder may consist of a polymer based on monomeric structural units of styrene and butadiene. In addition, the binder may come from the group of carboxymethyl celluloses. The binder is present in the positive electrode, preferably in an amount of not more than 20 wt. %, preferably not more than 10 wt. %, preferably not more than 7 wt. %, preferably not more than 5 wt. %, particularly preferably not more than 2 wt. % of the total weight of the positive electrode.

Структура элемента аккумуляторной батареи.The structure of the battery cell.

Преимущественные улучшения элемента аккумуляторной батареи согласно настоящему изобретению описаны ниже в отношении его структуры:The advantageous improvements of the battery cell according to the present invention are described below with respect to its structure:

Для дальнейшего улучшения функции элемента аккумуляторной батареи, в соответствии с настоящим изобретением, элемент аккумуляторной батареи содержит множество отрицательных электродов и множество положительных электродов, которые поочередно уложены поочередно в корпусе. Здесь каждый положительный электрод и отрицательный электрод электрически отделены друг от друга сепараторами.In order to further improve the function of the battery cell, according to the present invention, the battery cell includes a plurality of negative electrodes and a plurality of positive electrodes which are alternately stacked in a housing. Here, each positive electrode and negative electrode are electrically separated from each other by separators.

Сепаратор может быть выполнен из нетканого материала, мембраны, тканого материала, трикотажного материала, органического материала, неорганического материала или их комбинации. Органический сепараторы могут быть выполнены из незамещенных полиолефинов (например, полипропилена или полиэтилена), частично или полностью галогензамещенных полиолефинов (например, частично или полностью фторзамещенных, в частности ПВДФ, ЭТФЭ, ПТФЭ), полимеров сложных эфиров, полиамидом или полисульфонов. Сепараторами, которые включают комбинацию органических и неорганических материалов, являются, например, текстильные материалы из стекловолокна, в которых стекловолокно снабжено подходящим полимерным покрытием. Указанное покрытие предпочтительно содержит фторсодержащий полимер, такой как политетрафторэтилен (ПТФЭ), этилентетрафторэтилен (ЭТФЭ), перфторэтилен-пропилен (ФЭП), ТХВ (тройной полимер тетрафторэтилена, гексафторэтилена и винилиденфторида), перфторалкосиполимер (ПФА), аминосилан, полипропилен или полиэтилен (ПЭ). Сепаратор также может быть сложен в корпусе элемента аккумуляторной батареи, например, в виде так называемого «Z-складывания». В этом Z-образном складывании полосовой сепаратор загибается Z-образным образом через электроды или вокруг них. Более того, сепаратор также может быть выполнен в виде разделительной бумаги.The separator may be made of a nonwoven material, a membrane, a woven material, a knitted material, an organic material, an inorganic material, or a combination thereof. Organic separators can be made of unsubstituted polyolefins (eg polypropylene or polyethylene), partially or fully halogenated polyolefins (eg partially or fully fluorinated, in particular PVDF, ETFE, PTFE), ester polymers, polyamide or polysulfones. Separators which include a combination of organic and inorganic materials are, for example, glass fiber textile materials in which the glass fiber is provided with a suitable polymer coating. Said coating preferably contains a fluorine-containing polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylenetetrafluoroethylene (ETFE), perfluoroethylene propylene (FEP), THF (a ternary polymer of tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene and vinylidene fluoride), perfluoroalcopolymer (PFA), aminosilane, polypropylene or polyethylene (PE) . The separator can also be folded into the battery cell housing, for example in a so-called "Z-fold". In this Z-fold, the strip separator is folded in a Z-fold through or around the electrodes. Moreover, the separator can also be in the form of release paper.

В рамках изобретения сепаратор может быть выполнен в виде оболочки, при этом каждый положительный электрод и каждый отрицательный электрод охвачен оболочкой. Оболочка может состоять из нетканого материала, мембраны, ткани, трикотажа, органического материала, неорганического материала или их комбинаций.Within the scope of the invention, the separator can be made in the form of a sheath, with each positive electrode and each negative electrode surrounded by a sheath. The shell may consist of a nonwoven material, a membrane, a fabric, a knitted fabric, an organic material, an inorganic material, or combinations thereof.

Оболочка положительного электрода обеспечивает равномерное перемещение и распределение ионов в элементе аккумуляторной батареи. Чем равномернее распределение ионов, в частности, в отрицательном электроде, тем больше возможна зарядка отрицательного электрода активным материалом и следовательно полезная емкость элемента аккумуляторной батареи. Одновременно исключаются риски, которые могут быть связаны с неравномерной зарядкой и результирующим отсюда отделением активного металла. Эти преимущества достигаются прежде всего в том случае, когда положительные электроды элемента аккумуляторной батареи закрыты оболочкой.The positive electrode sheath ensures uniform movement and distribution of ions in the battery cell. The more uniform the distribution of ions, in particular in the negative electrode, the greater the possibility of charging the negative electrode with the active material and hence the useful capacity of the battery cell. At the same time, the risks that may be associated with uneven charging and the resulting separation of the active metal are eliminated. These advantages are achieved primarily when the positive electrodes of the battery cell are covered by a sheath.

Размеры поверхности электродов и оболочки могут согласовываться между собой таким образом, что наружные размеры оболочки и наружные размеры не закрытых электродов совпадают, по меньшей мере, по одному размеру.The dimensions of the surface of the electrodes and the shell can be coordinated with each other in such a way that the outer dimensions of the shell and the outer dimensions of the uncovered electrodes coincide in at least one dimension.

Размер поверхности оболочки может предпочтительно превышать размер поверхности электрода. В таком случае оболочка выходит за пределы электрода. Поэтому оба покрывающих электрод с обеих сторон слоя оболочки могут быть соединены между собой на краю положительного электрода краевой связью.The surface area of the sheath may preferably be larger than the surface area of the electrode. In this case, the shell extends beyond the electrode. Therefore, both covering the electrode on both sides of the sheath layer can be connected to each other at the edge of the positive electrode by an edge bond.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи отрицательные электроды содержат оболочку, положительные электроды же оболочки не имеют.According to another preferred embodiment of the battery cell, the negative electrodes are sheathed, while the positive electrodes are not sheathed.

Дополнительные полезные свойства настоящего изобретения описаны и объяснены более подробно ниже со ссылкой на чертежи, примеры и эксперименты.Additional useful features of the present invention are described and explained in more detail below with reference to the drawings, examples and experiments.

фиг. 1 показывает первый вариант выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном разрезе;fig. 1 shows a first embodiment of a battery cell according to the invention in cross section;

фиг. 2 показывает снимок, полученное с помощью электронного микроскопа, трехмерной пористой структуры металлического пенопласта согласно первому варианту осуществления с фиг.1 в качестве подробной иллюстрации;fig. 2 shows an electron microscope image of a three-dimensional porous structure of a metal foam according to the first embodiment of FIG. 1 as a detailed illustration;

фиг. 3 показывает второй вариант выполнения элемента аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением в поперечном сечении;fig. 3 shows a second embodiment of a battery cell according to the invention in cross section;

фиг. 4 представлена деталь второго варианта осуществления по фиг.3;fig. 4 shows a detail of the second embodiment of FIG. 3;

фиг. 5 представлен третий вариант выполнения элемента аккумуляторной батареи в соответствии с изобретением в разобранном виде;fig. 5 is an exploded view of a third embodiment of a battery cell according to the invention;

фиг. 6 показывает потенциал (в Вольтах) четырех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи во время зарядки отрицательных электродов, содержащих графит 1, графит 2, графит 3 и графит 4 в качестве активного материала, как функция емкости при образовании покровного слоя на отрицательном электроде;fig. 6 shows the potential (in Volts) of four test whole battery cells during charging of negative electrodes containing graphite 1, graphite 2, graphite 3 and graphite 4 as active material as a function of capacitance when a coating layer is formed on the negative electrode;

фиг. 7 показывает разрядную емкость, как функцию числа циклов трех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи, содержащих графит 1, графит 2 и графит 3 в качестве активного материала отрицательного электрода;fig. 7 shows the discharge capacity as a function of the number of cycles of three test whole battery cells containing graphite 1, graphite 2 and graphite 3 as the negative electrode active material;

фиг.8 показывает потенциал (в Вольтах) двух испытуемых целых элементов аккумяторной батареи при зарядке отрицательных электродов, содержащих графит 1 в качестве активного электродного материала, как функция емкости во время образования слоя покрытия на отрицательном электроде, при этом контрольный испытуемый сплошной элемент аккумуляторной батареи заполнен контрольным электролитом, испытуемый сплошной элемент аккумуляторной батареи заполнен электролитом 1;8 shows the potential (in Volts) of two test solid battery cells when charging negative electrodes containing graphite 1 as the active electrode material as a function of capacitance during the formation of a coating layer on the negative electrode, while the control test solid battery cell is filled control electrolyte, the tested solid battery cell is filled with electrolyte 1;

фиг. 9 представлена разрядная емкость, как функция число циклов двух испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи, содержащих графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода, при этом контрольный испытуемый сплошной элемент аккумуляторной батареи заполнен контрольным электролитом, испытуемый сплошной контрольный элемент аккумуляторной батареи заполнен электролитом 1;fig. 9 shows the discharge capacity as a function of the number of cycles of two test whole battery cells containing graphite 1 as the negative electrode active material, while the control test solid battery cell is filled with test electrolyte, the test test battery solid cell is filled with electrolyte 1;

фиг. 10 показывает потенциал (в Вольтах) трех полуэлементов при зарядке отрицательных электродов, содержащих графит 2, графит 3 и графит 4, в качестве активного материала электродов, как функция емкости во время образования слоя покрытия на отрицательном электроде, при этом полуэлементы заполнены контрольным электролитом;fig. 10 shows the potential (in Volts) of three half-cells when charging negative electrodes containing graphite 2, graphite 3, and graphite 4 as active electrode material as a function of capacitance during the formation of a coating layer on the negative electrode, while the half-cells are filled with a control electrolyte;

фиг. 11 показывает потенциал (в Вольтах) двух испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи при зарядке отрицательных электродов, содержащих графит 1, в качестве активного электродного материала, как функция емкости во время образования слоя покрытия на отрицательном электроде, при этом один испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи заполнен электролитом 3, другой целый испытуемый элемент аккумуляторной батареи заполнен электролитом 4;fig. 11 shows the potential (in Volts) of two test whole battery cells when charging negative electrodes containing graphite 1 as active electrode material as a function of capacitance during the formation of a coating layer on the negative electrode, with one test whole battery cell filled with electrolyte. 3, the other whole battery cell under test is filled with electrolyte 4;

фиг. 12 показывает потенциал (в Вольтах) при разрядке, как функции процентной зарядки трех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи, содержащих графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода и заполненных электролитами 1, 3 и 4;fig. 12 shows the potential (in Volts) on discharge as a function of the percent charge of three test whole battery cells containing graphite 1 as the negative electrode active material and filled with electrolytes 1, 3 and 4;

фиг. 13 показывает потенциал (в Вольтах) трех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи при зарядке отрицательных электродов, содержащих смеси из SiOx 5.0% / графит 3, SiOx 17.3% / графит 3 и SiOx 24.0% / графит 3 в качестве активных электродных материалов, как функция емкости во время образования слоя покрытия на отрицательном электроде;fig. 13 shows the potential (in Volts) of three test whole battery cells when charging negative electrodes containing mixtures of SiO x 5.0%/graphite 3, SiO x 17.3%/graphite 3 and SiO x 24.0%/graphite 3 as active electrode materials, as a function of capacitance during formation of the coating layer on the negative electrode;

фиг. 14 показывает емкость разряда при первых десяти циклах, как функция числа циклов трех испытуемых целых аккумуляторных элементов, содержащих смеси: SiOx 5.0% / графит 3, SiOx 17.3% / графит 3 и SiOx 24.0% / графит 3 в качестве активного материала отрицательного электрода;fig. 14 shows the discharge capacity during the first ten cycles as a function of the number of cycles of three tested whole battery cells containing mixtures of: SiO x 5.0% / graphite 3, SiO x 17.3% / graphite 3 and SiO x 24.0% / graphite 3 as the active material of the negative electrode;

фиг.15 показывает потенциал (в Вольтах) четырех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи при зарядке отрицательных электродов, содержащих смесь из нан-окремния (5 вес. %) и графита 3 (95 вес. %), смесь из нано-кремния (2,5 вес. %) и графита 1 (97,5 вес. %), смесь из нано-кремния (5,0 вес. %) и графита 1 (95,0 вес. %) и смесь из нано-кремния (10 вес. % и графита 1 (90 вес. %) в качестве активных электродных материалов, как функция емкости во время образования слоя покрытия на отрицательном электроде;15 shows the potential (in Volts) of four test whole battery cells when charging negative electrodes containing a mixture of nano-silicon (5 wt.%) and graphite 3 (95 wt.%), a mixture of nano-silicon (2, 5 wt.%) and graphite 1 (97.5 wt.%), a mixture of nano-silicon (5.0 wt.%) and graphite 1 (95.0 wt.%) and a mixture of nano-silicon (10 wt. .% and graphite 1 (90 wt.%) as active electrode materials as a function of capacitance during the formation of the coating layer on the negative electrode;

фиг. 16 показывает емкость разрядки при первых десяти циклах, как функция числа циклов четырех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи, содержащих смесь из нано-кремния (5 вес. %) и графита 3 (95 вес. %), смесь из нано-кремния (2,5 вес. %) и графита 1 (97,5 вес. %), смесь из нано-кремния (5,0 вес. %) и графита 1 (95,0 вес. %) и смесь из нано-кремния (10 вес. %) и графита 1 (90 вес. %) в качестве активного материала отрицательного электрода;fig. 16 shows the discharge capacity for the first ten cycles as a function of the number of cycles of four tested whole battery cells containing a mixture of nano silicon (5 wt.%) and graphite 3 (95 wt.%), a mixture of nano silicon (2, 5 wt.%) and graphite 1 (97.5 wt.%), a mixture of nano-silicon (5.0 wt.%) and graphite 1 (95.0 wt.%) and a mixture of nano-silicon (10 wt. %) and graphite 1 (90 wt %) as the active material of the negative electrode;

фиг. 17 - электропроводность (в мС/см) электролита 1 в зависимости от его концентрации;fig. 17 - electrical conductivity (in mS/cm) of electrolyte 1 depending on its concentration;

фиг. 18 - электропроводность (в С/см) электролита 3 в зависимости от его концентрации;fig. 18 - electrical conductivity (in C/cm) of electrolyte 3 depending on its concentration;

фиг. 19 электропроводность (в С/см) электролита 4 в зависимости от его концентрации.fig. 19 electrical conductivity (in C/cm) of electrolyte 4 depending on its concentration.

На фиг.1 представлен первый пример выполнения элемента 2 аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном разрезе. Элемент 2 аккумуляторной батареи выполнен в виде призматического элемента и содержит в числе прочего корпус 1. Этим корпусом 1 охватывается электродное устройство 3, состоящее их трех положительных электродов 4 и четырех отрицательных электродов 5. Положительные 4 и отрицательные 5 электроды расположены в электродном устройстве 3 в виде перемежающейся стопки. Однако корпус 1 может вместить и большее количество положительных электродов 4 и/или отрицательных электродов 5. В целом предпочтительно, чтобы количество отрицательных электродов 5 было на единицу больше количества положительных электродов 4. Это связано с тем, что наружные торцевые поверхности электродной стопки образуются поверхностями отрицательных электродов 5. Электроды 4, 5 через свои выводы 6, 7 соединены с соответствующими соединительными контактами 9, 10 элемента 2 акккумулятроной батареи. Элемент 2 заполнен электролитом на основе SO2 таким образом, что электролит по возможности полностью проникает во все поры или пустоты, в частности, внутрь электродов 4, 5. На фиг.1 электролит не показан. В данном примере выполнения положительные электроды 4 содержат интеркалярное соединение в качестве активного материала. Под интеркалярным соединением имеется в виду LiоМnO4. В данном примере выполнения электроды 4, 5 выполнены плоскими, т.е. в виде слоев толщиной, незначительной по отношению к их поверхностной протяженности. Соответственно они разделены между собой посредством сепараторов 11. Корпус 1 элемента 2 аккумулятроной батареи выполнен по существу прямоугольной формы, причем электроды 4, 5 и показанные на разрезе стенки корпуса 1 расположены перпендикулярно плоскости чертежа и выполнены по существу прямыми и ровными. Однако элемент 2 аккумулятроной батареи может быть также выполнен витым, у которого электроды состоят из тонких слоев, намотанных вместе с материалом разделителя. Сепараторы 11, во-первых, разделяют положительные 4 и отрицательные 5 электроды пространственно и электрически и, во-вторых, являются проницаемыми, в числе прочего, для ионов активного металла. Таким образом создаются большие электрохимически активные поверхности, обеспечивающие соответственно большой выход тока.1 shows a first example of a battery cell 2 according to the invention in cross section. Battery element 2 is made in the form of a prismatic element and includes, among other things, a housing 1. This housing 1 covers the electrode device 3, consisting of three positive electrodes 4 and four negative electrodes 5. Positive 4 and negative 5 electrodes are located in the electrode device 3 in the form interleaved stack. However, the housing 1 can accommodate more positive electrodes 4 and/or negative electrodes 5. In general, it is preferable that the number of negative electrodes 5 be one more than the number of positive electrodes 4. This is due to the fact that the outer end surfaces of the electrode stack are formed by the surfaces of the negative electrodes 5. The electrodes 4, 5 are connected through their terminals 6, 7 to the corresponding connecting contacts 9, 10 of the battery cell 2. The cell 2 is filled with an electrolyte based on SO 2 in such a way that the electrolyte penetrates as completely as possible into all pores or voids, in particular into the electrodes 4, 5. The electrolyte is not shown in FIG. In this exemplary embodiment, the positive electrodes 4 contain an intercalary compound as an active material. By intercalary compound we mean LioMnO 4 . In this embodiment, the electrodes 4, 5 are made flat, i.e. in the form of layers with a thickness insignificant in relation to their surface extent. Accordingly, they are separated from each other by means of separators 11. The body 1 of the cell 2 of the storage battery is made essentially rectangular in shape, and the electrodes 4, 5 and the walls of the body 1 shown in the section are located perpendicular to the plane of the drawing and are made essentially straight and even. However, the cell 2 of the battery can also be made twisted, in which the electrodes consist of thin layers wound together with a spacer material. The separators 11, firstly, separate the positive 4 and negative 5 electrodes spatially and electrically and, secondly, are permeable, among other things, to active metal ions. In this way, large electrochemically active surfaces are created, which provide a correspondingly large current output.

Кроме того электроды 4, 5 имеют отводящий элемент, предназначенный для обеспечения электроннопроводящего подключения активного материала соответствующего электрода. Этот отводящий элемент контактирует с активным материалом, участвующим в реакции на соответствующем электроде 4, 5 (на фиг.1 не показан). Отводящий элемент выполнен в виде пористой металлической пены 18. Металлическая пена 18 располагается по толщине электродов 4, 5. Активный материал положительных электродов 4 и отрицательных электродов 5 проникает в поры этой металлической пены 18, равномерно заполняя его поры по всей толщине структуры металла. Для повышения механической прочности положительные электроды 4 содержат связующее. Под этим связующим имеется в виду фторполимер. Отрицательные электроды 5 содержат в качестве активного материала углерод в приемлемом для поглощения ионов лития в качестве включающего материала. Структура отрицательного электрода 5 аналогична структуре положительного электрода 4.In addition, the electrodes 4, 5 have a diverting element designed to provide an electronically conductive connection of the active material of the respective electrode. This diverting element is in contact with the active material involved in the reaction at the corresponding electrode 4, 5 (not shown in figure 1). The discharge element is made in the form of a porous metal foam 18. The metal foam 18 is located along the thickness of the electrodes 4, 5. The active material of the positive electrodes 4 and negative electrodes 5 penetrates into the pores of this metal foam 18, evenly filling its pores throughout the entire thickness of the metal structure. To increase the mechanical strength, the positive electrodes 4 contain a binder. By this binder is meant a fluoropolymer. The negative electrodes 5 contain, as an active material, carbon suitable for absorbing lithium ions as a containing material. The structure of the negative electrode 5 is similar to the structure of the positive electrode 4.

На фиг.2 приведен выполненный под электронным микроскопом снимок трехмерной пористой структуры металлической пены 18 из первого примера выполнения на фиг.1. Посредством указанного масштаба можно определить, что диаметр пор (Р) составляет в среднем свыше 100 мкм, т.е. является относительно большим. Под этой металлической пеной имеется в виду металлическая пена из никеля.FIG. 2 shows an electron microscope image of the three-dimensional porous structure of the metal foam 18 of the first embodiment in FIG. With this scale, it can be determined that the pore diameter (P) is on average over 100 µm, i.e. is relatively large. This metal foam refers to nickel metal foam.

На фиг.3 приведен второй вариант выполнения элемента 20 аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном разрезе. Этот второй вариант выполнения отличается от первого варианта выполнения на фиг.1 тем, что электродное устройство содержит один положительный электрод 23 и два отрицательных электрода 22.Figure 3 shows a second embodiment of the cell 20 of the battery according to the invention in cross section. This second embodiment differs from the first embodiment in FIG. 1 in that the electrode arrangement comprises one positive electrode 23 and two negative electrodes 22.

Соответственно они разделены между собой сепараторами 21 и закрыты корпусом 28. Положительный электрод 23 содержит отводящий элемент 26 в виде плоской металлической фольги, на которую нанесен с обеих сторон активный материал 24 положительного электрода 23. Отрицательные электроды 22 также содержат отводящий элемент 27 в виде плоской металлической фольги, на которую с обеих сторон нанесен активный материал 26 отрицательного электрода 22. В качестве альтернативы плоские отводящие элементы краевых электродов, т.е. электродов, замыкающих электродную стопку, могут иметь только одностороннее покрытие активным материалом. Не покрытая сторона обращена к стенке корпуса 28. Электроды 22, 23 через свои выводы 29, 30 подключены к соответствующим соединительным контактам 31, 32 элемента 20 аккумуляторной батареи.Accordingly, they are separated from each other by separators 21 and closed by a housing 28. The positive electrode 23 contains a discharge element 26 in the form of a flat metal foil, on which the active material 24 of the positive electrode 23 is deposited on both sides. foil on which the active material 26 of the negative electrode 22 is deposited on both sides. electrodes closing the electrode stack can only have one-sided coating with active material. The uncovered side faces the wall of the housing 28. The electrodes 22, 23 are connected through their terminals 29, 30 to the corresponding connecting contacts 31, 32 of the battery cell 20.

На фиг.4 показана плоская металлическая фольга, которая используется в качестве отводящего элемента 26, 27 для положительного электрода 23 и отрицательного электрода 22 во втором примере выполнения на фиг.3. Эта металлическая фольга имеет дырчатую или сетчатую структуру при толщине 20 мкм.FIG. 4 shows a flat metal foil which is used as a diverting element 26, 27 for positive electrode 23 and negative electrode 22 in the second embodiment of FIG. This metal foil has a perforated or reticular structure at a thickness of 20 µm.

На фиг.5 приведен третий вариант выполнения элемента 40 аккумуляторной батареи согласно изобретению в разобранном состоянии. Этот третий вариант выполнения отличается от двух рассмотренных вариантов выполнения тем, что положительный электрод 44 закрыт оболочкой 13. При этом поверхностная протяженность оболочки 13 превышает поверхностную протяженность положительного электрода 44, граница 14 которого на фиг.5 показана пунктирной линией. Два покрывающих с обеих сторон положительный электрод 44 слоя 15, 16 оболочки 13 соединены между собой на оборотном крае положительного электрода 44 краевой связью 17. Оба отрицательных электрода 45 оболочкой не закрыты. Электроды 44 и 45 могут контактировать через свои выводы 46, 47.5 shows a third embodiment of a battery cell 40 according to the invention in an exploded state. This third embodiment differs from the two considered embodiments in that the positive electrode 44 is covered by sheath 13. In this case, the surface extent of sheath 13 exceeds the surface extent of positive electrode 44, the boundary 14 of which is shown in FIG. 5 by a dotted line. Two layers 15, 16 of the shell 13 covering both sides of the positive electrode 44 are connected to each other at the reverse edge of the positive electrode 44 by an edge connection 17. Both negative electrodes 45 are not covered by the shell. The electrodes 44 and 45 can make contact through their leads 46, 47.

Пример 1: Приготовление контрольного электролита.Example 1: Preparation of control electrolyte.

Используемый в описываемых ниже примерах контрольный электролит был приготовлен способом, раскрытым в описании изобретения к патенту ЕР 2954588 В1 (обозначенным ниже как [V2]). Сначала сушили хлорид лития (LiCl) в вакууме при 120°С в течение трех суток. Сушили алюминиевые частицы (Аl) в вакууме в течение двух суток при 450°С. LiCl, хлорид алюминия (АlСl3) и Аl смешали между собой в мольном соотношении AlCl3:LiCl:Al = 1:1,06:0,35 в стеклянном сосуде с отверстием для выхода газа. Затем эту смесь постепенно термически обрабатывали до получения соляного расплава. После охлаждения фильтровали образовавшийся соляной расплав, охладили до комнатной температуры и подвели SO2 до достижения требуемого молярного соотношения между SO2 и LiAlCl4. Полученный таким образом контрольный электролит имел состав LiAlCl4 * × SO2, при этом × зависел от подведенного количества SO2.Used in the examples described below, the control electrolyte was prepared by the method disclosed in the description of the patent EP 2954588 B1 (indicated below as [V2]). First, lithium chloride (LiCl) was dried in vacuum at 120°C for three days. The aluminum particles (Al) were dried in vacuum for two days at 450°C. LiCl, aluminum chloride (AlCl 3 ) and Al were mixed together in a molar ratio of AlCl 3 :LiCl:Al = 1:1.06:0.35 in a glass vessel with a gas outlet. Then this mixture was gradually thermally processed until a salt melt was obtained. After cooling, the resulting salt melt was filtered, cooled to room temperature, and SO 2 was added until the required molar ratio between SO 2 and LiAlCl 4 was reached. The control electrolyte thus obtained had the composition LiAlCl 4 * × SO 2 , while × depended on the amount of SO 2 supplied.

Пример 2. Приготовление электролита на основе SO2 для элемента аккумуляторной батареи в четырех примерах выполнения 1, 2, 3 и 4.Example 2 Preparation of SO 2 electrolyte for a battery cell in four embodiments 1, 2, 3 and 4.

Для описываемых ниже экспериментов в четырех примерах выполнения 1, 2, 3 и 4 были приготовлены электролиты на основе SO2 (ниже обозначены как электролиты 1, 2, 3 и 4). Сначала для этого были приготовлены четыре разных первых проводящих соли по формуле (1) с применением способа, описанного в следующих источниках информации [V3], [V4] и [V5]:For the experiments described below, in the four exemplary embodiments 1, 2, 3 and 4, electrolytes based on SO 2 were prepared (hereinafter referred to as electrolytes 1, 2, 3 and 4). First, four different first conductive salts were prepared for this according to the formula (1) using the method described in the following sources of information [V3], [V4] and [V5]:

[V3] „I. Krossing, Chem. Eur. J. 2001, 7, 490;[V3] „I. Crossing, Chem. Eur. J. 2001, 7, 490;

[V4] S. M. Ivanova et al., Chem. Eur. J. 2001, 7, 503;[V4] S. M. Ivanova et al., Chem. Eur. J. 2001, 7, 503;

[V5] Tsujioka et al., J. Electrochem. Soc, 2004, 151, A1418„[V5] Tsujioka et al., J. Electrochem. Soc, 2004, 151, A1418"

Эти четыре разных первых проводящих соли формулы (1), ниже обозначены как соединения 1, 2, 3 и 4. Они происходят из серии полифторалкоксиалюминатов и были приготовлены по следующему уравнению реакции на основе LiAlH4 и соответствующего спирта R-OH в гексане, где R1=R2=R3=R4.These four different first conductive salts of formula (1) are referred to below as compounds 1, 2, 3 and 4. They come from the polyfluoroalkoxyaluminate series and were prepared according to the following reaction equation based on LiAlH 4 and the corresponding alcohol R-OH in hexane, where R 1= R2 = R3 = R4 .

ГексанHexane

Figure 00000007
Figure 00000007

В результате образовались следующие, приведенные ниже соединения 1, 2, 3, 4 с суммарными и структурными формуламиAs a result, the following compounds 1, 2, 3, 4 are formed below with the total and structural formulas

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Для очистки соединения 1, 2, 3, 4 сначала подверглись перекристаллизации. В результате из первой соли, повышающей электропроводность электролита, были выведены остатки реагента LiАlH4, поскольку этот реагент вероятно может приводить к образованию искры при взаимодействии с возможно присутствующими следами воды в SO2. После этого растворили соединения 1, 2, 3, 4 в SO2. При этом было отмечено, что соединения 1, 2, 3, 4 хорошо растворяются в SO2. Приготовление электролитов 1, 2, 3 и 4 проводилось при низкой температуре или под давлением в соответствии с приведенными ниже технологическими операциями 14:To purify compounds 1, 2, 3, 4 were first subjected to recrystallization. As a result, the remains of the LiАlH 4 reagent were removed from the first salt, which increases the electrical conductivity of the electrolyte, since this reagent can probably lead to the formation of a spark when interacting with possibly present traces of water in SO 2 . Then compounds 1, 2, 3, 4 were dissolved in SO 2 . It was noted that compounds 1, 2, 3, 4 are well soluble in SO 2 . The preparation of electrolytes 1, 2, 3 and 4 was carried out at low temperature or under pressure in accordance with the following technological operations 14:

1) помещение соответствующего соединения 1, 2, 3, 4 в напорную колбу со стояком,1) placing the corresponding connection 1, 2, 3, 4 in a pressure flask with a riser,

2) вакуумирование напорной колбы,2) evacuation of the pressure flask,

3) впуск жидкого SO2,3) liquid SO 2 inlet,

4) повтор операций 2+3, пока не будет введено конечное количество SO2.4) repeat operations 2+3 until a final amount of SO 2 is introduced.

Концентрация соединений 1, 2, 3, 4 в электролитах 1, 2, 3, 4 составила 0,6 моль/л (количество вещества на 1 л электролита), если в описании эксперимента не указано иное. При использовании электролитов 1, 2, 3, 4 и контрольного электролита проводились описанные ниже эксперименты.The concentration of compounds 1, 2, 3, 4 in electrolytes 1, 2, 3, 4 was 0.6 mol/l (amount of substance per 1 liter of electrolyte), unless otherwise indicated in the description of the experiment. When using electrolytes 1, 2, 3, 4 and the control electrolyte, the experiments described below were carried out.

Пример 3. Изготовление испытуемых целых аккумуляторных элементов.Example 3. Production of tested whole battery cells.

Применявшиеся в описанных ниже экспериментах испытуемые целые аккумуляторные элементы представляют собой элементы аккумуляторной батареи с двумя отрицательными электродами и одним положительным электродом, которые были разделены резделителем. Положительные электроды содержали активный материал (указан в соответствующем эксперименте), активатор проводимости и связующее.The whole battery cells used in the experiments described below are battery cells with two negative electrodes and one positive electrode, which were separated by a divider. The positive electrodes contained an active material (indicated in the corresponding experiment), a conduction activator and a binder.

Исследованные отрицательные электроды содержали активный материал, который будет назван в соответствующем описании эксперимента. Дополнительно отрицательные электроды могут содержать связующее и/или добавку для проводимости. Отводящий элемент положительных и отрицательных электродов состоял из никеля. В таблицах 3а и 3б указано, какие исследовались активные материалы для отрицательных электродов.The negative electrodes studied contained an active material, which will be named in the corresponding description of the experiment. Additionally, the negative electrodes may contain a binder and/or a conductive additive. The outlet element of the positive and negative electrodes consisted of nickel. Tables 3a and 3b indicate which negative electrode active materials were tested.

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Испытуемые целые аккумуляторные элементы были заполнены необходимым для экспериментов электролитом, т.е. либо контрольным электролитом, либо электролитами 1, 2, 3, 4.The tested whole battery cells were filled with the electrolyte necessary for the experiments, i.e. either control electrolyte or electrolytes 1, 2, 3, 4.

Для каждого эксперимента было изготовлено несколько, т.е. от 2 до 4, идентичных испытуемых целых аккумуляторных элемента. Полученные в ходе экспериментов результаты являются соответственно средними значениями, полученными на основе замеренных величин для идентичных испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи.Several experiments were made for each experiment, i.e. 2 to 4 identical whole battery cells under test. The results obtained during the experiments are, respectively, the average values obtained on the basis of the measured values for identical tested whole cells of the battery.

Пример 4. Измерение испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи. Емкость слоя покрытия:Example 4. Measurement of the tested whole cells of the battery. Coating layer capacity:

Израсходованная во время первого цикла емкость на образование слоя покрытия на отрицательном электроде является важным критерием качества элемента аккумуляторной батареи (аккумуляторный элемент). Этот слой покрытия образуется при первой зарядке испытуемого целого аккумуляторного элемента на отрицательном электроде. На образование слоя покрытия необратимо расходуются ионы лития (емкость покровного слоя), вследствие чего для испытуемого целого аккумуляторного элемента остается меньше емкости для последующих циклов. Теоретически емкость слоя покрытия в %, расходуемая при формировании слоя покрытия на отрицательном электроде, рассчитывается по следующей формуле:The capacity consumed during the first cycle to form a coating layer on the negative electrode is an important criterion for the quality of the battery cell (battery cell). This coating layer is formed the first time the entire battery cell under test is charged at the negative electrode. The formation of the coating layer irreversibly consumes lithium ions (the capacitance of the coating layer), as a result of which the whole battery cell under test has less capacity for subsequent cycles. Theoretically, the capacitance of the coating layer in % consumed during the formation of the coating layer on the negative electrode is calculated by the following formula:

Емкость слоя покрытия(теоретическая в %) = (Qlad (х мАч) - Qent (у мАч)) / QNEL (G I (х мА⋅ч)) - Qent (у мА⋅ч)) / QNEL.Coating capacity (theoretical in %) = (Q lad (x mAh) - Q ent (y mAh)) / Q NEL (GI (x mAh)) - Q ent (y mAh)) / QNEL.

Посредством Qlad описывается заданный в соответствующем эксперименте объем заряда, выраженный в мА⋅ч; Qent описывает объем заряда в мА⋅ч, который был получен при последующей разрядке испытуемого целого аккумуляторного элемента. QNEL означает теоретическую емкость используемого отрицательного электрода. Теоретическая емкость составляет, например, применительно к графиту 372 мА⋅ч/г.Q lad describes the amount of charge specified in the corresponding experiment, expressed in mA⋅h; Q ent describes the amount of charge, in mAh, that was obtained when the whole battery cell under test was subsequently discharged. QNEL means the theoretical capacitance of the negative electrode used. The theoretical capacity is, for example, 372 mAh/g for graphite.

Номинальную емкость получают в результате вычета емкости слоя покрытияThe nominal capacitance is obtained by subtracting the capacitance of the coating layer

(Qiad (х мА⋅ч)- Qent (у мА⋅ч)) из теоретической емкости положительного электрода.(Qiad (x mAh) - Q en t (y mAh)) from the theoretical capacitance of the positive electrode.

Разрядная емкость.discharge capacity.

При измерениях в испытуемых целых элементах аккумуляторной батареи определяют, например, разрядную емкость по количеству циклов..When measuring in the tested whole cells of the battery, for example, the discharge capacity is determined by the number of cycles.

Для этого испытуемые целые элементы заряжают при определенной силе зарядного тока до достижения определенного верхнего потенциала. Соответствующий определенный верхний потенциал выдерживается в течении столь долгого времени, пока зарядный ток не снизится до определенной величины. Затем происходит разрядка при определенной силе разрядного тока до достижения определенного разрядного потенциала. При таком методе зарядки речь идет о зарядке I/U (сила тока / напряжение тока). В зависимости от требуемого числа цикла этот процесс может повторяться.To do this, the tested whole cells are charged at a certain strength of the charging current until a certain upper potential is reached. The corresponding defined upper potential is maintained for such a long time until the charging current drops to a certain value. Then, the discharge occurs at a certain strength of the discharge current until a certain discharge potential is reached. With this charging method, we are talking about I/U (current / voltage) charging. Depending on the number of cycles required, this process may be repeated.

Верхние потенциалы или разрядный потенциал и соответствующая сила тока при зарядке или разрядке определялись в ходе экспериментов. Показатель, до которого должен снизиться зарядный ток при экспериментах, описан.The upper potentials or discharge potential and the corresponding current during charging or discharging were determined during the experiments. The indicator to which the charging current should decrease during the experiments is described.

Понятие «верхний потенциал» используется как синоним для понятий «зарядный потенциал», «зарядное напряжение», «конечное напряжение зарядки» и «верхний предел потенциала». Эти понятия означают напряжение / потенциал, до которого аккумуляторный элемент или батарея заряжаются с помощью зарядного устройства.The concept of "upper potential" is used as a synonym for the concepts of "charging potential", "charging voltage", "end-of-charge voltage" and "upper potential limit". These terms refer to the voltage/potential to which a battery cell or battery is charged using a charger.

Предпочтительно зарядка батареи ведется при норме тока С/2 и температуре 22°С. При скорости зарядки или разрядки 1С номинальная емкость аккумуляторного элемента по определению заряжается или разряжается в течение одного часа. В соответствии с этим скорость зарядки С/2 означает время зарядки, равное 2 часам.Preferably, the battery is charged at a C/2 current rate and a temperature of 22°C. At a charging or discharging rate of 1C, the nominal capacity of a battery cell is, by definition, charged or discharged in one hour. Accordingly, the charging rate C/2 means a charging time of 2 hours.

Понятие «потенциал разрядки» является синонимом понятия «нижнее напряжение аккумуляторного элемента». Этим обозначается напряжение / потенциал, до которого аккумуляторный элемент или батарея разряжаются с помощью зарядного устройства. Предпочтительно разрядка аккумуляторной батареи проводится при норме тока С/2 и температуре 22°С.The concept of "discharge potential" is synonymous with the concept of "low battery cell voltage". This indicates the voltage/potential to which the cell or battery is discharged by the charger. Preferably, the battery is discharged at a C/2 current rate and a temperature of 22°C.

Емкость разрядки выводится из разрядного тока и времени, при котором выполняются критерии окончания разрядки. На соответствующих фигурах показаны средние показатели разрядной емкости, как функция числа циклов. Эти средние показатели разрядной емкости часто нормируют как максимальную емкость, которая достигнута в соответствующем эксперименте и которую выражают в процентах от номинальной емкости.The discharging capacity is derived from the discharging current and the time at which the end of discharging criteria is met. The corresponding figures show the average discharge capacity as a function of the number of cycles. These average discharging capacities are often normalized as the maximum capacity achieved in the relevant experiment and expressed as a percentage of the nominal capacity.

Эксперимент 1. Испытуемые целые элементы акумуляторной батареи с разными графитами в качестве активного материала положительного электрода.Experiment 1. Tested whole cells of a battery with different graphites as the active material of the positive electrode.

С применением разных графитов в качестве активного материала отрицательного электрода проводились эксперименты с испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи согласно примеру 3. Были определены, во-первых, емкость слоя покрытия (графит 1, 2, 3, 4) и, во-вторых, разрядная емкость (графит 1, 2, 3). Испытуемые целые аккумуляторные элементы были заполнены описанным в примере 2 электролитом.Using different graphites as the active material of the negative electrode, experiments were carried out with the tested whole cells of the battery according to example 3. Firstly, the capacity of the coating layer (graphite 1, 2, 3, 4) and, secondly, the discharge capacity were determined (graphite 1, 2, 3). The tested whole battery cells were filled with the electrolyte described in example 2.

Испытуемые целые аккумуляторные элементы содержали отрицательные электроды с приведенными в табл.За синтетическими графитами, т.е. с графитами 1, 2, 3, 4 в качестве активного материала. Положительные электроды содержали оксид лития-никеля-марганца-кобальта (НМК622) (графит 1, 2, 3) и фосфат лития-железа в качестве активного материала. На фиг.6 приведен потенциал испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи в Вольтах при зарядке отрицательного электрода, как функция емкости, соотнесенная с теоретической емкостью отрицательного электрода. Четыре изображенных кривых показывают усредненные результаты нескольких экспериментов с описанными выше испытуемыми целыми аккумуляторными элементами. Кривая испытуемого целого аккумуляторного элемента с графитом 4 показывает вследствие другого активного материала положительного электрода несколько меньшие потенциалы. Сначала заряжали испытуемые целые аккумуляторные элементы током 15 мА до тех пор, пока не была достигнута емкость 125 мА⋅ч (Qiad). Затем следовала разрядка испытуемых целых аккумуляторных элементов током 15 мА до достижения потенциала 2,5 В. При этом определяли разрядную емкость (Qent).The tested whole battery cells contained negative electrodes with the synthetic graphites given in Table 3, i.e. with graphites 1, 2, 3, 4 as active material. The positive electrodes contained lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMK622) (graphite 1, 2, 3) and lithium iron phosphate as active material. Figure 6 shows the potential of the tested whole cells of the battery in Volts when charging the negative electrode, as a function of capacity, correlated with the theoretical capacity of the negative electrode. The four curves shown show the average results of several experiments with the above-described whole cell test subjects. The curve of the whole battery cell under test with graphite 4 shows slightly lower potentials due to the different active material of the positive electrode. First, the tested whole battery cells were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh (Qi ad ) was reached. This was followed by the discharge of the tested whole battery cells with a current of 15 mA until a potential of 2.5 V was reached. In this case, the discharge capacity (Q ent ) was determined.

Полученные показатели емкости покровного слоя (в % от теоретической емкости отрицательного электрода) составили 6,58% для графита 1, 4,29% для графита 2, 5,32% для графита 3 и 7,27% для графита 4. По сравнению с существующими системами с органическими электролитами это превосходные показатели.The obtained indicators of capacitance of the cover layer (in % of the theoretical capacity of the negative electrode) were 6.58% for graphite 1, 4.29% for graphite 2, 5.32% for graphite 3 and 7.27% for graphite 4. Compared with existing systems with organic electrolytes, these are excellent indicators.

Посредством испытуемых целых аккумуляторных элементов, содержавших графит 1, 2 и 3, на последующих циклах определяли показатели разрядной емкости. Для определения разрядной емкости (см. пример 4) испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током силой 100 мА до достижении верхнего потенциала 4,4 В. Соответствующий верхний потенциал выдерживался до тех пор, пока зарядный ток не снижался до 40 мА. После этого следовала разрядка током 100 мА до достижения разрядного потенциала 2,5 В.By means of the test whole battery cells containing graphite 1, 2 and 3, the discharge capacity indicators were determined in subsequent cycles. To determine the discharge capacity (see example 4), the tested whole battery cells were charged with a current of 100 mA until an upper potential of 4.4 V was reached. The corresponding upper potential was maintained until the charging current decreased to 40 mA. This was followed by a discharge with a current of 100 mA until a discharge potential of 2.5 V was reached.

На фиг.7 приведены усредненные показатели разрядной емкости, нормированной до 100% стартовой емкости трех испытуемых целых аккумуляторных элементов, как функция числа циклов. Эти усредненные показатели разрядной емкости выражены в процентах от номинальной емкости. Испытуемые целые аккумуляторные элементы с разными графитами показали очень хорошую устойчивость разрядной емкости на протяжении числа циклов. В испытуемых целых аккумуляторных элементах с графитом 1 и 2 достигнуты при цикле 250 96% разрядной емкости. В испытуемых целых аккумуляторных элементах с графитом 2 она составила 93%.Figure 7 shows the average values of the discharge capacity, normalized to 100% of the starting capacity of the three tested whole battery cells, as a function of the number of cycles. These average discharge capacities are expressed as a percentage of the nominal capacity. The tested whole battery cells with different graphites showed very good stability of the discharge capacity over the number of cycles. In the tested whole battery cells with graphite 1 and 2, 96% of the discharge capacity was achieved at a cycle of 250. In the tested whole battery cells with graphite 2, it was 93%.

Эксперимент 2.Experiment 2

Графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода в испытуемых целых аккумуляторных элементах с электролитом 1 и, в сравнении с испытуемыми целыми аккумуляторными элементами с контрольным электролитом.Graphite 1 as the active material of the negative electrode in the tested whole battery cells with electrolyte 1 and, in comparison with the tested whole battery cells with a reference electrolyte.

С применением графита 1 в качестве активного материала проводились эксперименты для двух испытуемых целых аккумуляторных элементов согласно примеру 3. Один испытуемый целый аккумуляторный элемент был заполнен описанным в примере 2 электролитом 1, другой содержал контрольный электролит состава LiAlCl4 × 6SO2. Положительные электроды содержали оксид лития-никеля-марганца-кобальта (НМК622) в качестве активного материала. Определяли, во-первых, показатели емкости слоя покрытия, и во-вторых, показатели разрядной емкости.Using graphite 1 as the active material, experiments were carried out for two tested whole battery cells according to example 3. One tested whole battery cell was filled with electrolyte 1 described in example 2, the other contained a control electrolyte of the composition LiAlCl 4 × 6SO 2 . The positive electrodes contained lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMK622) as an active material. Determined, firstly, the characteristics of the capacity of the coating layer, and secondly, the characteristics of the discharge capacity.

На фиг.8 приведен потенциал испытуемого целого аккумуляторного элемента в Вольтах при зарядке отрицательного электрода, как функции емкости, соотнесенной с теоретической емкостью отрицательного электрода. Две изображенных кривых показывают усредненные результаты нескольких экспериментов с применением описанных выше испытуемых целых аккумуляторных элементов.FIG. 8 shows the potential of the whole battery cell under test in Volts when the negative electrode is being charged, as a function of the capacitance relative to the theoretical capacitance of the negative electrode. The two curves shown show the average results of several experiments using the test whole battery cells described above.

Сначала заряжали испытуемые целые аккумуляторные элементы током 15 мА до тех пор, пока не была достигнута емкость 125 мА⋅ч (Qiad). Затем проводилась разрядка испытуемых целых аккумуляторных элементов током 15 мА до достижения потенциала 2,5 В. При этом определяли разрядную емкость (Qent).First, whole cells under test were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh (Qiad) was reached. Then, the tested whole battery cells were discharged with a current of 15 mA until a potential of 2.5 V was reached. In this case, the discharge capacity (Qent) was determined.

Полученные показатели емкости слоя покрытия (в % от теоретической емкости отрицательного электрода) составили 6,58% для графита 1 в испытуемом целом аккумуляторном элементе с электролитом 1 и 8,30% для графита 1 в испытуемом целом аккумуляторном элементе с контрольным электролитом. Преимущество электролита 1 в комбинации с графитом 1 выразилось в четко снизившееся емкости слоя покрытия.The obtained indicators of the capacity of the coating layer (in % of the theoretical capacity of the negative electrode) were 6.58% for graphite 1 in the tested whole battery cell with electrolyte 1 and 8.30% for graphite 1 in the tested whole battery cell with control electrolyte. The advantage of the electrolyte 1 in combination with graphite 1 resulted in a clearly reduced capacitance of the coating layer.

С помощью одинаковых испытуемых целых аккумуляторных элементов определяли разрядную емкость при последующих циклах. Для определения разрядной емкости (см. пример 4) испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током силой 100 мА до достижения верхнего потенциала 4,4 В. Соответствующий верхний потенциал выдерживался в течение времени, пока зарядный ток не снижался до 40 мА. Затем следовала разрядка с применением тока силой 100 мА до достижения разрядного потенциала 2,5 В.Using the same tested whole battery cells, the discharge capacity was determined during subsequent cycles. To determine the discharge capacity (see example 4), the tested whole battery cells were charged with a current of 100 mA until an upper potential of 4.4 V was reached. The corresponding upper potential was maintained for a time until the charging current decreased to 40 mA. This was followed by discharging using a current of 100 mA until a discharge potential of 2.5 V was reached.

На фиг.9 приведены средние показатели разрядной емкости, нормированной до 100% стартовой емкости двух испытуемых целых аккумуляторных элементов. Эти средние показатели разрядной емкости выражены в % от номинальной емкости. Испытуемые целые аккумуляторные элементы с разными электролитами имели разные значения разрядной емкости во время циклов. В испытуемых целых аккумуляторных элементах с графитом 1 и электролитом 1 было достигнуто при цикле 280Figure 9 shows the average discharge capacity, normalized to 100% of the starting capacity of the two tested whole battery cells. These average discharge capacities are expressed as % of nominal capacity. The tested whole battery cells with different electrolytes had different values of the discharge capacity during the cycles. In the tested whole battery cells with graphite 1 and electrolyte 1, it was achieved at a cycle of 280

98,4% разрядной емкости при почти горизонтальной характеристике кривой. Испытуемый целый аккумуляторный элемент с графитом 1 и контрольным электролитом достиг 96,8% при последующей, слегка падающей тенденции.98.4% discharge capacity with nearly flat curve. The tested whole battery cell with graphite 1 and reference electrolyte reached 96.8% with a subsequent, slightly falling trend.

Эксперимент 3. Образование слоя покрытия на графите 2, 3 и 4 в аккумуляторных полуэлементах с контрольным электролитом.Experiment 3. Formation of a coating layer on graphite 2, 3, and 4 in battery half-cells with a control electrolyte.

Для проведения предварительных опытов по исследованию емкости слоя покрытия проводили при комнатной температуре как с помощью отрицательных электродов, содержавших в качестве активного материала графит 2 и 3, так и с помощью отрицательного электрода, содержавшего графит 4 в качестве активного материала, эксперименты с аккумуляторными полуэлементами. Аккумуляторные полуэлементы были заполнены контрольным электролитом состава LiAlCl4 × 1.5 SO2 и содержали литиевый электрод, как электрод сравнения. Подобные электрохимические эксперименты с аккумуляторными полуэлементами являются, вследствие их простоты и связанными с этим низкими экспериментальными затратами, стандартными экспериментами по определению рабочих характеристик электродов.To conduct preliminary experiments to study the capacitance of the coating layer, experiments with battery half-cells were carried out at room temperature using both negative electrodes containing graphite 2 and 3 as an active material and using a negative electrode containing graphite 4 as an active material. The battery half cells were filled with a control electrolyte of composition LiAlCl 4 × 1.5 SO 2 and contained a lithium electrode as a reference electrode. Such electrochemical experiments with battery half cells are, because of their simplicity and the associated low experimental costs, standard experiments for characterizing electrodes.

Аккумуляторные полуэлементы неоднократно заряжали и разряжали током 10 мА (соответственно 1С до практической емкости). По потере емкости при первых трех циклах рассчитали емкость слоя покрытия.Battery half-cells were repeatedly charged and discharged with a current of 10 mA (respectively, 1C to practical capacity). From the loss of capacity during the first three cycles, the capacity of the coating layer was calculated.

На фиг.10 изображены кривые слоя покрытия и показатели емкости слоя покрытия двух опытных аккумуляторных полуэлементов. Емкость слоя покрытия в среде контрольного электролита составила для аккумуляторного полуэлемента с графитом 1 12,1%, с графитом 3 10,3% и с графитом 4 15,5% от теоретической емкости отрицательного электрода. Эти значения заметно выше определенных в эксперименте 1 показателей при одинаковых графитах в электролите 1.Figure 10 shows the curves of the coating layer and the capacitance of the coating layer of two experimental half-cells. The capacity of the coating layer in the control electrolyte medium was 12.1% for the battery half-cell with graphite 1, 10.3% with graphite 3, and 15.5% with graphite 4 of the theoretical capacity of the negative electrode. These values are noticeably higher than those determined in experiment 1 for identical graphites in electrolyte 1.

Эксперимент 4. Графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода в испытуемых целых аккумуляторных элементах с электролитом 1, 3 и 4.Experiment 4. Graphite 1 as the active material of the negative electrode in the tested whole battery cells with electrolyte 1, 3 and 4.

Для исследования электролитов 1, 3 и 4 в комбинации с графитом 1 в качестве активного материала отрицательного электрода проводились разные эксперименты. Во-первых, определяли емкость слоя покрытия с электролитом 3 и 4 и, во-вторых, определяли разрядную емкость при всех трех электролитах 1, 3, 4.To study electrolytes 1, 3 and 4 in combination with graphite 1 as the active material of the negative electrode, different experiments were carried out. Firstly, the capacity of the coating layer with electrolytes 3 and 4 was determined, and secondly, the discharge capacity was determined with all three electrolytes 1, 3, 4.

Для определения емкости слоя покрытия два испытуемых целых аккумуляторных элемента были заполнены описанными в примере 2 электролитами 3 и 4. Два испытуемых целых аккумуляторных элемента содержали графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода. Положительные электроды имели в качестве активного материала оксид лития-никеля-марганца-кобальта (НМК622).To determine the capacitance of the coating layer, two test whole battery cells were filled with the electrolytes 3 and 4 described in Example 2. Two test whole battery cells contained graphite 1 as the negative electrode active material. The positive electrodes had lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMK622) as an active material.

На фиг.11 показан в Вольтах потенциал испытуемых целых аккумуляторных элементов при зарядке отрицательного электрода, как функция емкости, соотнесенной с теоретической емкостью отрицательного электрода. Две изображенных кривых показывают усредненные результаты нескольких экспериментов с описанными выше испытуемыми целыми аккумуляторными элементами. Сначала заряжали испытуемые целые аккумуляторные элементы током 15 мА до тех пор, пока не была достигнута емкость 125 мА⋅ч (Qiad). После этого происходила разрядка испытуемых целых аккумуляторных элементов током 15 мА до достижения потенциала 2,5 В. При этом определяли разрядную емкость (Qent).FIG. 11 shows, in Volts, the potential of whole battery cells under test when the negative electrode is being charged, as a function of capacitance relative to the theoretical capacitance of the negative electrode. The two curves shown show the average results of several experiments with the above-described whole cell test subjects. First, whole cells under test were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh (Qiad) was reached. After that, the tested whole battery cells were discharged with a current of 15 mA until a potential of 2.5 V was reached. In this case, the discharge capacity (Qent) was determined.

Полученные показатели емкости слоя покрытия (в % от теоретической емкости отрицательного электрода) составили 17,77% в электролите 3 и 20,02% в электролите 4. При несколько повышенных значениях емкости слоя покрытия в электролитах 3 и 4 возможна очень надежная эксплуатация аккумуляторного элемента с этими электролитами.The obtained indicators of the capacitance of the coating layer (in % of the theoretical capacity of the negative electrode) amounted to 17.77% in electrolyte 3 and 20.02% in electrolyte 4. With slightly increased values of the capacitance of the coating layer in electrolytes 3 and 4, very reliable operation of the battery cell with these electrolytes.

Для экспериментов по разрядке три испытуемых целых аккумуляторных элемента были заполнены в соответствии с примером 3 описанными в примере 2 электролитами 1, 3 и 4. Испытуемые целые аккумуляторные элементы имели в качестве активного материала положительного электрода оксид лития-никеля-марганца-кобальта (НМК) и в качестве активного материала отрицательного электрода графит 1. Для определения разрядной емкости (см. пример 4) испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током 15 мА до достижения емкости 125 мА.ч. После этого следовала разрядка током 15 мА до достижения разрядного потенциала 2,5 В.For the discharge experiments, three test whole battery cells were filled in accordance with example 3 with electrolytes 1, 3 and 4 described in example 2. The test whole battery cells had lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC) as the positive electrode active material and as the active material of the negative electrode, graphite 1. To determine the discharge capacity (see example 4), the tested whole battery cells were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh was reached. This was followed by a discharge with a current of 15 mA until a discharge potential of 2.5 V was reached.

На фиг.12 показана кривая потенциала во время разрядки через разряженный объем заряда в % (% максимального заряда (разряда)). Все испытуемые целые аккумуляторные элементы имели ровную кривую разрядки, которая необходима для надлежащей эксплуатации аккумуляторного элемента.Fig. 12 shows the potential curve during discharging through the discharged charge volume in % (% of the maximum charge (discharge)). All tested whole battery cells had a flat discharge curve, which is necessary for the proper operation of the battery cell.

Эксперимент 5. Испытуемые целые аккумуляторные элементы, содержащие смеси из SiOx, 5,0% / графита 3, SiOx 17,3% / графита 3 и SiOx, 24, % / графита 3, в качестве активных материалов отрицательного электрода.Experiment 5. Whole battery cells tested containing mixtures of SiOx , 5.0%/graphite 3, SiOx 17.3%/graphite 3, and SiOx , 24.%/graphite 3 as negative electrode active materials.

Как следует из таблицы 36, выражение SiOx, 5% /графит 3 означает смеси из SiOx (5 вес. %) и графита 3 (95 вес. %), причем SiOx состоит из смеси компонентов: Si, SiO and Si02. Другие описанные смеси SiOx / графит 3 содержат SiOx в количестве 17,3 вес. % или 24,0 вес. % SiOx и соответствующие количества графита 3. Три разных смеси применили в трех испытуемых аккумуляторных элементах согласно примеру 3 в качестве активного материала отрицательного электрода и провели эксперименты. При этом определяли, во-первых, емкость слоя покрытия и, во-вторых, разрядную емкость. Испытуемые целые аккумуляторные элементы заполнили описанным в примере 2 электролитом 1. В положительных электродах в качестве активного материала содержался оксид лития-никеля-марганца-кобальта.As follows from table 36, the expression SiO x , 5% / graphite 3 means mixtures of SiO x (5 wt.%) and graphite 3 (95 wt.%), and SiO x consists of a mixture of components: Si, SiO and Si02. Other described mixtures of SiO x / graphite 3 contain SiO x in the amount of 17.3 wt. % or 24.0 wt. % SiOx and corresponding amounts of graphite 3. Three different mixtures were used in the three tested battery cells according to Example 3 as the negative electrode active material and experiments were carried out. In this case, firstly, the capacitance of the coating layer and, secondly, the discharge capacity were determined. Whole battery cells to be tested were filled with the electrolyte 1 described in Example 2. The positive electrodes contained lithium-nickel-manganese-cobalt oxide as an active material.

На фиг.13 показан потенциал трех испытуемых целых аккумуляторных элементов в Вольтах во время зарядки отрицательного электрода, как функция емкости, соотнесенная с теоретической емкостью отрицательного электрода. Приведенные кривые отображают усредненные результаты нескольких экспериментов с использованием описанных выше испытуемых целых аккумуляторных элементов. Сначала испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током 15 мА до тех пор, пока не была достигнута емкость 125 мА.ч (Qiad). Затем следовала разрядка испытуемых целых аккумуляторных элементов током 15 мА до достижения потенциала 2,8 В. При этом определяли разрядную емкость (Qent).13 shows the potential of three whole battery cells under test in Volts during negative electrode charging as a function of capacitance relative to the theoretical negative electrode capacitance. The curves shown represent the average results of several experiments using the test whole cells described above. First, whole battery cells under test were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh (Qiad) was reached. This was followed by discharging the tested whole battery cells with a current of 15 mA until a potential of 2.8 V was reached. In this case, the discharge capacity (Qent) was determined.

Полученные значения емкости слоя покрытия (в % от теоретической емкости отрицательного электрода) составили 12,69% для смеси SiOx 5,0% / графит 3, 15,29% для смеси SiOx 17,3% / графит 3 и 14,41% для смеси SiOx 24,0% / графит 3.The obtained values of the capacitance of the coating layer (in % of the theoretical capacitance of the negative electrode) were 12.69% for a mixture of SiO x 5.0% / graphite 3, 15.29% for a mixture of SiOx 17.3% / graphite 3 and 14.41% for a mixture of SiO x 24.0% / graphite 3.

С применением одинаковых испытуемых целых аккумуляторных элементов в ходе последующих десяти циклов определяли разрядную емкость. Для определения разрядной емкости (см. пример 4) заряжали испытуемые целые аккумуляторные элементы током силой 40 мА до достижения верхнего потенциала 4,4 В. Затем следовала разрядка током силой 40 мА до достижения разрядного потенциала 2,8 В. На фиг.14 приведены средние значения разрядной емкости для десяти циклов, нормированных на 100% стартовой емкости испытуемых целых аккумуляторных элементов, как функция числа циклов. Эти средние значения разрядной емкости выражены соответственно в процентах номинальной емкости. Все три аккумуляторных элемента имели пологую кривую разрядной емкости.Using the same test whole battery cells during the next ten cycles, the discharge capacity was determined. To determine the discharge capacity (see example 4), the tested whole battery cells were charged with a current of 40 mA until an upper potential of 4.4 V was reached. Then, a discharge with a current of 40 mA followed until a discharge potential of 2.8 V was reached. discharge capacity values for ten cycles, normalized to 100% of the starting capacity of the tested whole battery cells, as a function of the number of cycles. These average values of the discharge capacity are expressed respectively as a percentage of the nominal capacity. All three battery cells had a flat discharge capacity curve.

Эксперимент 6. Испытуемые целые аккумуляторные элементы с содержанием нано-кремния/графита в качестве активного материала отрицательного электрода.Experiment 6. Tested whole battery cells containing nano-silicon/graphite as the active material of the negative electrode.

С применением приведенных в таблице 36 смесей из нано-кремния/графита в качестве активного материала отрицательного электрода проводились эксперименты с испытуемыми целыми аккумуляторными элементами согласно примеру 3. Определяли, во-первых, емкость слоя покрытия и, во-вторых, разрядную емкость. Испытуемые целые аккумуляторные элементы были заполнены описанным в примере 2 электролитом.Using the nano-silicon/graphite mixtures shown in Table 36 as the negative electrode active material, experiments were carried out with whole cell test subjects according to Example 3. Firstly, the capacitance of the coating layer and, secondly, the discharge capacity were determined. The tested whole battery cells were filled with the electrolyte described in example 2.

Четыре испытуемых целых аккумуляторных элемента содержали отрицательные электроды либо со смесью из нано-кремния (5 вес. %) и графита 3 (95 вес. %), либо со смесью из нано-кремния (2,4 вес. %) и графита 1 (97,5 вес. %), либо со смесью из нано-кремния (5,0 вес. %) и графита 1 (95,0 вес. %), либо со смесью из нано-кремния (10 вес. %) и графита 1 (90 вес. %). Положительные электроды содержали оксид лития-никеля-марганца-кобальта в качестве активного материала.The four tested whole battery cells contained negative electrodes either with a mixture of nano-silicon (5 wt.%) and graphite 3 (95 wt.%), or with a mixture of nano-silicon (2.4 wt.%) and graphite 1 ( 97.5 wt.%), either with a mixture of nano-silicon (5.0 wt.%) and graphite 1 (95.0 wt.%), or with a mixture of nano-silicon (10 wt.%) and graphite 1 (90 wt. %). The positive electrodes contained lithium-nickel-manganese-cobalt oxide as an active material.

На фиг.15 показан потенциал испытуемых целых аккумуляторных элементов в Вольтах при зарядке отрицательного электрода по отношению к литию, как функция емкости, соотнесенной с теоретической емкостью отрицательного электрода. Четыре изображенных кривых характеризуют усредненные результаты нескольких экспериментов с описанными выше испытуемыми целыми аккумуляторными элементами. Сначала испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током 15 мА до тех пор, пока не была достигнута емкость 125 мА.ч (Qiad). После этого следовала разрядка испытуемых целых аккумуляторных элементов током 15 мА до достижения потенциала 2,8 В. При этом определяли разрядную емкость (Qent).FIG. 15 shows the potential of the whole battery cells under test in Volts when the negative electrode is charged with respect to lithium as a function of the capacity related to the theoretical capacity of the negative electrode. The four curves depicted represent the average results of several experiments with the above-described whole battery cell test subjects. First, whole battery cells under test were charged with a current of 15 mA until a capacity of 125 mAh (Qiad) was reached. This was followed by discharging the test whole battery cells with a current of 15 mA until a potential of 2.8 V was reached. In this case, the discharge capacity (Qent) was determined.

Полученные показатели емкости слоя покрытия (в % от теоретической емкости отрицательного электрода) составили 12,47% для смеси из нано-кремния (5 вес. %) и графита 3 (95 вес. %), 9,91% для смеси из нано-кремния (2,5 вес. %) и графита 1 (97,5 вес. %), 11,63% для смеси из нано-кремния (5,0 вес. %) и графита 1 (95,0 вес. %) и 14,77% для смеси из нано-кремния (10 вес. %) и графита 1 (90 вес. %).The obtained indicators of the capacitance of the coating layer (in % of the theoretical capacity of the negative electrode) amounted to 12.47% for a mixture of nano-silicon (5 wt.%) and graphite 3 (95 wt.%), 9.91% for a mixture of nano- silicon (2.5 wt.%) and graphite 1 (97.5 wt.%), 11.63% for a mixture of nano-silicon (5.0 wt.%) and graphite 1 (95.0 wt.%) and 14.77% for a mixture of nano-silicon (10 wt.%) and graphite 1 (90 wt.%).

С применением таких же испытуемых целых аккумуляторных элементов определяли разрядную емкость при последующих десяти циклах. Для определения разрядной емкости (см. пример 4) испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали током 40 мА до достижения верхнего потенциала 4,4 В. Затем проводилась разрядка током 40 мА до достижения разрядной емкости 2,8 В. На фиг.16 приведены усредненные значения разрядной емкости трех испытуемых целых аккумуляторных элементов при десяти циклах, как функция числа циклов. Эти усредненные значения разрядной емкости выражены в % от номинальной емкости. Все четыре аккумуляторных элемента имели пологую кривую разрядной емкости.Using the same test whole battery cells, the discharge capacity was determined for the next ten cycles. To determine the discharge capacity (see example 4), the tested whole battery cells were charged with a current of 40 mA until an upper potential of 4.4 V was reached. the capacity of the three whole battery cells under test at ten cycles as a function of the number of cycles. These average discharge capacities are expressed as % of nominal capacity. All four battery cells had a flat discharge capacity curve.

Эксперимент 7. Определение электропроводности электролитов 1, 3 и 4.Experiment 7. Determination of the electrical conductivity of electrolytes 1, 3 and 4.

Для определения электропроводности приготовили электролиты 1, 3, 4 с разной концентрацией соединений 1, 3 и 4. По каждой концентрации разных соединений определяли электропроводность электролитов, при этом применялся кондуктивный метод измерения. При этом после термостатирования двухэлектродный датчик выдерживали в растворе с обеспечением контакта и измеряли в диапазоне от 0 до 50 мС/см. Во время измерения следили за тем, чтобы датчик мог реагировать с содержащим SO2 электролитным раствором.To determine the electrical conductivity, electrolytes 1, 3, 4 were prepared with different concentrations of compounds 1, 3, and 4. The electrical conductivity of the electrolytes was determined for each concentration of different compounds, and the conductive measurement method was used. In this case, after thermostating, the two-electrode sensor was kept in the solution with contact and measured in the range from 0 to 50 mS/cm. During the measurement, care was taken that the sensor could react with the electrolyte solution containing SO 2 .

На фиг.17 показана проводимость электролита 1 в зависимости от концентрации соединения 1. Можно видеть максимальное значение проводимости при концентрации соединения 1 от 0,6 до 0,7 моль/л, равное около 37,9 мС/см. По сравнению с этим известные из уровня техники органические электролиты, например, LP30 (1 М LiPF6 / ЕС-DMC (1 : 1 по весу), имеют проводимость всего лишь 10 мС/см.17 shows the conductivity of the electrolyte 1 as a function of the concentration of compound 1. The maximum value of the conductivity can be seen at a concentration of compound 1 from 0.6 to 0.7 mol/l, equal to about 37.9 mS/cm. In comparison, prior art organic electrolytes such as LP30 (1 M LiPF 6 / EC-DMC (1 : 1 by weight) have a conductivity of only 10 mS/cm.

На фигурах 18 (электролит 3) и 19 (электролит 4) приведены выведенные при разной концентрации показатели проводимости электролитов 3 и 4.Figures 18 (electrolyte 3) and 19 (electrolyte 4) show the conductivity values of electrolytes 3 and 4 derived at different concentrations.

При использовании электролита 4 получено максимально 18 мСм/см при концентрации проводящей соли, повышающей электропроводность электролита, равной 1 моль/л. Максимальная электропроводность электролита 3 составила 0,5 мСм/см при концентрации соли, повышающей электропроводность электролита, равной 0,6 моль/л. Хотя электролит 3 показал меньшую электропроводность, зарядка и разрядка испытуемого целого аккумуляторного элемента, как и в эксперименте 4, были совершенно возможными.When using electrolyte 4, a maximum of 18 mS/cm was obtained at a concentration of conductive salt, which increases the electrical conductivity of the electrolyte, equal to 1 mol/l. The maximum electrical conductivity of electrolyte 3 was 0.5 mS/cm at a salt concentration that increases the electrical conductivity of the electrolyte, equal to 0.6 mol/l. Although electrolyte 3 showed lower electrical conductivity, charging and discharging of the test whole battery cell, as in experiment 4, was perfectly possible.

Эксперимент 8. Состояние при низкой температуре.Experiment 8. State at low temperature.

Для определения состояния электролита 1 при низкой температуре по сравнению с контрольным электролитом было изготовлено в соответствии с примером 3 два испытуемых целых аккумуляторных элемента. Один испытуемый целый аккумуляторный элемент заполнили контрольным электролитом состава LiAlCl4 * 6SO2, другой испытуемый целый аккумуляторный элемент электролитом 1. Испытуемый целый аккумуляторный элемент с контрольным электролитом содержал фосфат лития-железа (ЛЖФ) в качестве активного материала, испытуемый целый аккумуляторный элемент с электролитом 1 содержал оксид лития-никеля-марганца-кобальта (НМК) в качестве активного материала положительного электрода. Оба испытуемых целых аккумуляторных элемента содержали графит 1 в качестве активного материала отрицательного электрода.In order to determine the state of the electrolyte 1 at a low temperature compared to the control electrolyte, two test whole battery cells were made in accordance with Example 3. One tested whole battery cell was filled with the control electrolyte of the composition LiAlCl 4 * 6SO 2 , the other tested whole battery cell was filled with electrolyte 1. The tested whole battery cell with the control electrolyte contained lithium iron phosphate (LIF) as an active material, the tested whole battery cell with electrolyte 1 contained lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC) as the positive electrode active material. Both test whole battery cells contained graphite 1 as the negative electrode active material.

Испытуемые целые аккумуляторные элементы заряжали при 20°С до 3,6 В (ЛЖФ) или 4,4 В (НМК) и снова разряжали при соответствующей исследуемой температуре до 2,5 В. Полученная при 20°С разрядная емкость составила 100%. Температуру во время разрядки понижали на температурный шаг 10 К. Полученную разрядную емкость описали в % от разрядной емкости при 20°С. Поскольку низкотемпературная разрядка почти не зависит от применяемых активных материалов положительного и отрицательного электродов, то результаты могут быть перенесены на любые комбинации активных материалов. В таблице 4 приведены результаты.The test whole battery cells were charged at 20°C to 3.6 V (LVF) or 4.4 V (NMC) and again discharged at the corresponding test temperature to 2.5 V. The discharge capacity obtained at 20°C was 100%. The temperature during discharging was lowered by a temperature step of 10 K. The resulting discharge capacity was described as % of the discharge capacity at 20°C. Since the low temperature discharge is almost independent of the positive and negative electrode active materials used, the results can be transferred to any combination of active materials. Table 4 shows the results.

Figure 00000012
Figure 00000012

Испытуемый целый аккумуляторный элемент с электролитом 1 показал очень хорошие низкотемпературные свойства. При -20°С емкость составляла все еще 82%, при -30°С все еще 73%. Даже при температуре -40°С разрядная емкость составляла еще 61%. В противоположность этому испытуемый целый аккумуляторный элемент с контрольным электролитом показал способность к разрядке только до -10°С. При этом достигнута емкость 21%. При более низких температурах аккумуляторный элемент с контрольным электролитом более не разряжался.The tested whole battery cell with electrolyte 1 showed very good low temperature properties. At -20°C the capacity was still 82%, at -30°C still 73%. Even at -40°C, the discharge capacity was still 61%. In contrast, the test whole battery cell with reference electrolyte only showed the ability to be discharged down to -10°C. This achieved a capacity of 21%. At lower temperatures, the battery cell with reference electrolyte was no longer discharged.

Claims (80)

1. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40), содержащий активный металл, по меньшей мере один положительный электрод (4, 23, 44), по меньшей мере один отрицательный электрод (5, 22, 45), корпус (1, 28) и электролит,1. Battery cell (2, 20, 40) containing active metal, at least one positive electrode (4, 23, 44), at least one negative electrode (5, 22, 45), housing (1, 28 ) and electrolyte, при этом отрицательный электрод содержит активный материал, выбранный из группы:while the negative electrode contains an active material selected from the group: - материал включения из углерода,- carbon inclusion material, - образующий сплав активный материал,alloy forming active material, - интеркалярный материал без содержания углерода,- intercalary material without carbon content, - конверсионный активный материал,- conversion active material, а электролит создан на основе SO2 и содержит по меньшей мере одну соль, повышающую электропроводность электролита, и имеет формулу (I):and the electrolyte is based on SO 2 and contains at least one salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte, and has the formula (I):
Figure 00000013
Figure 00000013
Формула (I), гдеFormula (I), where - M представляет собой металл, выбранный из группы, включающей щелочные металлы, щелочно-земельные металлы, металлы группы 12 Периодической системы элементов и алюминий;- M is a metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, metals of group 12 of the Periodic Table of the Elements and aluminum; - x представляет собой целое число от 1 до 3;- x is an integer from 1 to 3; - указанные заместители R1, R2, R3 и R4 независимо выбраны из группы, включающей C1-C10 алкил, C2-C10 алкенил, C2-C10 алкинил, C3-C10 циклоалкил, C6-C14 арил и C5-C14 гетероарил; и- said substituents R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from the group consisting of C 1 -C 10 alkyl, C 2 -C 10 alkenyl, C 2 -C 10 alkynyl, C 3 -C 10 cycloalkyl, C 6 -C 14 aryl and C 5 -C 14 heteroaryl; and - Z представляет собой алюминий или бор.- Z represents aluminum or boron. 2. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 1, в котором материал включения из углерода выбирается из группы, образованной из:2. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 1, wherein the carbon inclusion material is selected from the group formed from: - графита,- graphite, - природного графита, в частности чешуйчатого или округлого природного графита,- natural graphite, in particular flake or rounded natural graphite, - синтетического графита, в частности мезофазного графита,- synthetic graphite, in particular mesophase graphite, - графитизированных мезоуглеродных микрогранул,- graphitized mesocarbon microgranules, - графита с углеродным покрытием, - carbon-coated graphite, - аморфного углерода.- amorphous carbon. 3. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 1 или 2, в котором образующий сплав активный материал выбирается из:3. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 1 or 2, wherein the alloy-forming active material is selected from: - группы, образованной из накапливающих литий металлов и металлических сплавов, предпочтительно Si, Ge, Sn, SnCoxCy, SnSix, или- a group formed from lithium storage metals and metal alloys, preferably Si, Ge, Sn, SnCo x C y , SnSi x , or - группы, образованной из оксидов накапливающих литий металлов и металлических сплавов, предпочтительно SnOx, SiOx, и оксидных стекол Sn, Si.a group formed from oxides of lithium-accumulating metals and metal alloys, preferably SnO x , SiO x , and oxide glasses Sn, Si. 4. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 1, в котором образующий сплав активный материал состоит из кремния, или оксидов кремния, или смесей из кремния и его оксидов.4. The battery cell (2, 20, 40) according to claim 1, wherein the alloy-forming active material consists of silicon, or oxides of silicon, or mixtures of silicon and its oxides. 5. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по 1, в котором отрицательный электрод (5, 22, 45) содержит по меньшей мере один образующий сплав анодно-активный материал, в частности образующий сплав с литием в комбинации с по меньшей мере одним включающим материалом из углерода, при этом предпочтительны комбинации кремния и/или оксидов кремния с графитом.5. Battery cell (2, 20, 40) 1 each, in which the negative electrode (5, 22, 45) contains at least one alloy-forming anode-active material, in particular an alloy-forming with lithium in combination with at least one containing material of carbon, while combinations of silicon and/or silicon oxides with graphite are preferred. 6. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из пп. 1-3, в котором интеркалярным материалом без содержания углерода является титанат лития, в частности Li4Ti5O12.6. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of paragraphs. 1-3, in which the carbon-free intercalary material is lithium titanate, in particular Li 4 Ti 5 O 12 . 7. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из пп. 1-4, в котором конверсионный активный материал выбирается из:7. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of paragraphs. 1-4, wherein the conversion active material is selected from: - группы, образованной из оксидов марганца (MnOx), оксидов железа (FeOx), оксидов кобальта (CoOx), оксидов никеля (NiOx) и оксидов меди (CuOx), или - a group formed from manganese oxides (MnO x ), iron oxides (FeO x ), cobalt oxides (CoO x ), nickel oxides (NiO x ) and copper oxides (CuO x ), or - группы, состоящей из гидрида магния (MgH2 ), гидрида титана (TiH2 ), гидрида алюминия ( AlH3 ) и тройных гидридов на основе бора, алюминия и магния.- a group consisting of magnesium hydride (MgH 2 ), titanium hydride (TiH 2 ), aluminum hydride (AlH 3 ) and triple hydrides based on boron, aluminum and magnesium. 8. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором положительный электрод (4, 23, 44) содержит в качестве активного материала по меньшей мере одно соединение предпочтительно состава AxM'yM"zOa, где:8. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the positive electrode (4, 23, 44) contains as active material at least one compound, preferably of the composition A x M' y M" z O a , where: - А - по меньшей мере один металл, выбираемый из группы, состоящей из щелочных металлов, щёлочно-земельных металлов, металлов группы 12 Периодической системы элементов или алюминия,- A - at least one metal selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, metals of group 12 of the Periodic Table of the Elements or aluminum, - M' - по меньшей мере, один металл, выбираемый из группы, состоящей из элементов: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,- M' - at least one metal selected from the group consisting of the elements: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, - M" - по меньшей мере один элемент, выбираемый из группы, состоящей из элементов групп: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 Периодической системы элементов,- M" - at least one element selected from the group consisting of elements of groups: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 of the Periodic system elements, - х и у - независимо друг от друга число больше 0,- x and y - independently of each other, the number is greater than 0, - z - число, которое больше или равно 0,- z is a number that is greater than or equal to 0, - а - число, которое больше 0.- a is a number greater than 0. 9. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 8, в котором соединение имеет состав LixM'yM"zOa где: M' означает марганец, M" означает кобальт,9. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 8, wherein the compound has the composition Li x M' y M" z O a where: M' means manganese, M" means cobalt, при этом x, y, z равны предпочтительно 1 и а равно предпочтительно 4.wherein x, y, z are preferably 1 and equally preferably 4. 10. Элемент аккумулятоной батареи (2, 20, 40) по п. 8 или 9, при этом соединение имеет состав LixM'yM"zOa, где: M' означает никель и марганец, M" означает кобальт, и которое имеет формулу LixNiy1Mny2CozOa.10. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 8 or 9, wherein the compound has the composition Li x M' y M" z O a where: M' means nickel and manganese, M" means cobalt, and which has the formula Li x Ni y1 Mn y2 Co z O a . 11. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 8, в котором соединение имеет состав LixM'yM"1 z1M"2 z2O4, где: M"2 означает фосфор и z2 равно 1.11. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 8, in which the compound has the composition Li x M' y M" 1 z1 M" 2 z2 O 4 where: M" 2 means phosphorus and z2 is equal to 1. 12. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 11, при этом соединение имеет состав LixM'yM"1 z1PO4, где: M' означает железо, M''1 - марганец, при этом соединение имеет предпочтительно состав Li(Fe0.3Mn0.7)PO4.12. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 11, wherein the compound has the composition Li x M' y M" 1 z1 PO 4 where: M' means iron, M'' 1 is manganese, while the compound preferably has the composition Li(Fe 0.3 Mn 0.7 )PO 4 . 13. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором заместители R1, R2, R3, R4 первой проводящей соли выбираются независимо друг от друга из группы, состоящей из:13. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the previous paragraphs, in which the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 of the first conductive salt are selected independently of each other from the group consisting of: - C1-C6 алкил; предпочтительно C2-C4 алкил; более предпочтительно алкильные группы 2-пропил, метил и этил;- C 1 -C 6 alkyl; preferably C 2 -C 4 alkyl; more preferably alkyl groups 2-propyl, methyl and ethyl; - C2-C6 алкенил; предпочтительно C2-C4 алкенил; более предпочтительно алкенильные группы этенил и пропенил;- C 2 -C 6 alkenyl; preferably C 2 -C 4 alkenyl; more preferably ethenyl and propenyl alkenyl groups; - C2-C6 алкинил; предпочтительно C2-C4 алкинил;- C 2 -C 6 alkynyl; preferably C 2 -C 4 alkynyl; - C3-C6 циклоалкил; - C 3 -C 6 cycloalkyl; - фенил и- phenyl and - C5-C7 гетероарил.- C 5 -C 7 heteroaryl. 14. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, при этом по меньшей мере один из заместителей R1, R2, R3, R4 первой проводящей соли замещён по меньшей мере одним атомом фтора и/или по меньшей мере одной химической группой, при этом химическая группа выбирается из группы, состоящей из C1-C4 алкила, C2-C4 алкенила, C2-C4 алкинила, фенила и бензила.14. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding paragraphs, wherein at least one of the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 of the first conductive salt is replaced by at least one fluorine atom and/or at least one chemical group, wherein the chemical group is selected from the group consisting of C 1 -C 4 alkyl, C 2 -C 4 alkenyl, C 2 -C 4 alkynyl, phenyl and benzyl. 15.Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере один из заместителей R1, R2, R3, R4 первой проводящей соли является группой CF3 или группой ОSО2CF3.15. The battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 of the first conductive salt is a CF 3 group or an OSO 2 CF 3 group . 16. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором первая проводящая соль выбирается из группы, состоящей из:16. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the first conductive salt is selected from the group consisting of:
Figure 00000014
Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000016
Li[B(OCH2CF3)4]Li[B(OCH 2 CF 3 ) 4 ] Li[B(OCH(CF3)2)4]Li[B(OCH(CF 3 ) 2 ) 4 ] Li[Al(OC(CF3)3)4]Li[Al(OC(CF 3 ) 3 ) 4 ]
Figure 00000017
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000018
Li[Al(OC(CH3)(CF3)2)4]Li[Al(OC(CH 3 )(CF 3 ) 2 ) 4 ] Li[Al(OCH(CF3)2)4].Li[Al(OCH(CF 3 ) 2 ) 4 ].
17. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, при этом электролит содержит по меньшей мере одну проводящую вторую соль, отличающуюся от первой проводящей соли формулы (I).17. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte contains at least one conductive second salt different from the first conductive salt of formula (I). 18. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 17, в котором второй проводящей солью в электролите является соединение щелочного металла, в частности соединение лития, выбираемое из группы, состоящей из алюмината, галогенида, оксалата, бората, фосфата, арсената и галлата.18. The battery cell (2, 20, 40) according to claim 17, wherein the second conductive salt in the electrolyte is an alkali metal compound, in particular a lithium compound selected from the group consisting of aluminate, halide, oxalate, borate, phosphate, arsenate and gallate. 19. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 17 или 18, в котором второй проводящей солью в электролите является тетрагалогеналюминат лития, в частности тетрахлоралюминат лития.19. The battery cell (2, 20, 40) according to claim 17 or 18, wherein the second conductive salt in the electrolyte is lithium tetrahaloaluminate, in particular lithium tetrachloroaluminate. 20. Элемент аккумуляторной батарени (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором электролит содержит по меньшей мере одну добавку.20. The battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte contains at least one additive. 21. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по п. 20, в котором названная добавка выбирается из группы, состоящей из виниленкарбоната и его производных, винилэтиленкарбоната и его производных, метилэтиленкарбоната и его производных, (бисоксалат)бората лития, дифтор(оксалат)бората лития, тетрафтор(оксалат)фосфата лития, оксалата лития, 2-винилпиридина, 4-винилпиридина, циклических экзометиленкарбонатов, сультонов, циклических и ациклических сульфонатов, ациклических сульфитов, циклических и ациклических сульфинатов, органических сложных эфиров, неорганических кислот, ациклических и циклических алканов, при этом ациклические и циклические алканы имеют при давлении 1 бар точку кипения, равную по меньшей мере 36°С, ароматических соединений, галогенизированных циклических и ациклических сульфонилимидов, галогенизированных циклических и ациклических фосфатных сложных эфиров, галогенизированных циклических и ациклических фосфинов, галогенизированных циклических и ациклических фосфитов, галогенизированных циклических и ациклических фосфазенов, галогенизированных циклических и ациклических силиламинов, галогенизированных циклических и ациклических сложных эфиров, галогенизированных циклических и ациклических амидов, галогенизированных циклических и ациклических ангидридов и галогенизированных органических циклов.21. Battery cell (2, 20, 40) according to claim 20, wherein said additive is selected from the group consisting of vinylene carbonate and its derivatives, vinylethylene carbonate and its derivatives, methylethylene carbonate and its derivatives, (bisoxalate) lithium borate, difluoro( lithium oxalate)borate, lithium tetrafluoro(oxalate)phosphate, lithium oxalate, 2-vinylpyridine, 4-vinylpyridine, cyclic exomethylene carbonates, sultones, cyclic and acyclic sulfonates, acyclic sulfites, cyclic and acyclic sulfinates, organic esters, inorganic acids, acyclic and cyclic alkanes, where acyclic and cyclic alkanes have a boiling point of at least 36° C. at 1 bar pressure, aromatic compounds, halogenated cyclic and acyclic sulfonyl imides, halogenated cyclic and acyclic phosphate esters, halogenated cyclic and acyclic phosphines, halogenated cyclic and acyclic phosphites, gal halogenated cyclic and acyclic phosphazenes, halogenated cyclic and acyclic silylamines, halogenated cyclic and acyclic esters, halogenated cyclic and acyclic amides, halogenated cyclic and acyclic anhydrides, and halogenated organic rings. 22. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором электролит имеет следующий состав, в соотнесении к общему весу электролита:22. Battery cell (2, 20, 40) according to any of the preceding claims, wherein the electrolyte has the following composition, in relation to the total weight of the electrolyte: (i) 5-99,4 вес.% диоксида серы,(i) 5-99.4 wt% sulfur dioxide, (ii) 0,6-95 вес.% первой соли, повышающей электропроводность электролита,(ii) 0.6-95 wt.% of the first salt, which increases the electrical conductivity of the electrolyte, (iii) 0-25 вес.% второй соли, повышающей электропроводность электролита,(iii) 0-25 wt.% of the second salt, which increases the electrical conductivity of the electrolyte, (iv) 0-10 вес.% добавки.(iv) 0-10 wt.% additive. 23. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором концентрация первой проводящей соли, составляет от 0,01 до 10 моль/л, предпочтительно от 0,05 до 10 моль/л, предпочтительно от 0,1 до 6 моль/л, особо предпочтительно от 0,2 до 3,5 моль/л, от общего объёма электролита.23. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the previous paragraphs, in which the concentration of the first conductive salt is from 0.01 to 10 mol/l, preferably from 0.05 to 10 mol/l, preferably from 0 .1 to 6 mol/l, particularly preferably 0.2 to 3.5 mol/l, based on the total electrolyte volume. 24. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором электролит содержит по меньшей мере 0,1 моль SO2, предпочтительно по меньшей мере 1 моль SO2, предпочтительно по меньшей мере 5 моль SO2, предпочтительно по меньшей мере 10 моль SO2, особо предпочтительно по меньшей мере 20 моль SO2 на одну моль проводящей соли. 24. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the previous paragraphs, in which the electrolyte contains at least 0.1 mol SO 2 , preferably at least 1 mol SO 2 , preferably at least 5 mol SO 2 , preferably at least 10 mol SO 2 , particularly preferably at least 20 mol SO 2 per mol of conductive salt. 25. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором активным металлом являются:25. Battery cell (2, 20, 40) according to any of the previous paragraphs, in which the active metal is: - щелочной металл, в частности литий или натрий,- an alkali metal, in particular lithium or sodium, - щёлочно-земельный металл, в частности кальций,- alkaline earth metal, in particular calcium, - металл из группы 12 Периодической системы элементов, в частности цинк,- a metal from group 12 of the Periodic Table of the Elements, in particular zinc, - алюминий.- aluminum. 26. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором положительный электрод (4, 23, 44) содержит по меньшей мере одно металлическое соединение, выбираемое из группы, состоящей из оксида металла, галогенида металла и фосфата металла, причём металл металлического соединения является предпочтительно переходным металлом порядкового номера от 22 до 28 Периодической системы элементов, в частности кобальт, никель, марганец или железо.26. Battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the positive electrode (4, 23, 44) contains at least one metal compound selected from the group consisting of metal oxide, metal halide and phosphate metal, and the metal of the metal compound is preferably a transition metal of serial number from 22 to 28 of the Periodic Table of the Elements, in particular cobalt, nickel, manganese or iron. 27. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором положительный электрод (4, 23, 44) содержит по меньшей мере одно металлическое соединение, имеющее химическую структуру шпинели, слоистого оксида, способного к превращению соединения или полианионного соединения.27. The battery cell (2, 20, 40) according to any one of the preceding claims, wherein the positive electrode (4, 23, 44) contains at least one metal compound having the chemical structure of a spinel, a layered oxide capable of converting a compound, or polyanionic compound. 28. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором положительный электрод (4, 23, 44) и/или отрицательный электрод (5, 22, 45) содержат отводящий элемент (26, 27), выполненный предпочтительно:28. The battery cell (2, 20, 40) according to any one of the previous paragraphs, in which the positive electrode (4, 23, 44) and/or the negative electrode (5, 22, 45) contain a discharge element (26, 27), performed preferably: - либо плоским в виде металлического листа или металлической фольги, - either flat in the form of a metal sheet or metal foil, - либо трёхмерным в виде пористой металлической структуры, в частности металлической пены (18).- or three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular metal foam (18). 29. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, в котором положительный электрод (4, 23, 44) и/или отрицательный электрод (5, 22, 45) содержат по меньшей мере одно связующее, предпочтительно фторированное связующее, в частности поливинилиденфторид, и/или тройной сополимер, состоящий из тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфтортида, 29. The battery cell (2, 20, 40) according to any one of the previous claims, in which the positive electrode (4, 23, 44) and/or the negative electrode (5, 22, 45) contain at least one binder, preferably fluorinated a binder, in particular polyvinylidene fluoride, and/or a terpolymer consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and vinylidene fluoride, или связующее, состоящее из полимера, образованного мономерными структурными звеньями сопряжённой карбоновой кислоты, или солью щелочного металла, щёлочно-земельного металла или аммония этой сопряжённой карбоновой кислоты, или их комбинацией,or a binder consisting of a polymer formed by monomeric structural units of a conjugated carboxylic acid, or an alkali metal, alkaline earth metal or ammonium salt of this conjugated carboxylic acid, or a combination thereof, или связующее, состоящее из полимера, основанного на мономерных структурных звеньях стирола и бутадиена, или связующее из группы карбоксиметилцеллюлоз,or a binder consisting of a polymer based on monomeric structural units of styrene and butadiene, or a binder from the group of carboxymethyl celluloses, при этом связующее присутствует предпочтительно при концентрации не более 20 вес.%, предпочтительно не более 15 вес.%, предпочтительно не более 10 вес.%, предпочтительно не более 7 вес.%, предпочтительно не более 5 вес.%, особо предпочтительно не более 2 вес.% от общего веса положительного электрода.wherein the binder is preferably present at a concentration of at most 20% by weight, preferably at most 15% by weight, preferably at most 10% by weight, preferably at most 7% by weight, preferably at most 5% by weight, particularly preferably at most 2 wt.% of the total weight of the positive electrode. 30. Элемент аккумуляторной батареи (2, 20, 40) по любому из предыдущих пунктов, который содержит множество отрицательных электродов (5, 22, 45) и множество положительных электродов (4, 23, 44), расположенных поочередно в корпусе (1, 28), причём положительные электроды (4, 23, 44) и отрицательные электроды (5, 22, 45) предпочтительно разделены электрически между собой сепараторами (11).30. Battery cell (2, 20, 40) according to any of the previous paragraphs, which contains a plurality of negative electrodes (5, 22, 45) and a plurality of positive electrodes (4, 23, 44) located alternately in the housing (1, 28 ), and positive electrodes (4, 23, 44) and negative electrodes (5, 22, 45) are preferably electrically separated from each other by separators (11).
RU2021136192A 2019-07-31 2020-07-30 Battery cell element RU2772791C1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19189435.1 2019-07-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2772791C1 true RU2772791C1 (en) 2022-05-25

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143750A (en) * 1999-11-15 2001-05-25 Central Glass Co Ltd Electorlyte for electrochemical device
EP2360772A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-24 Fortu Intellectual Property AG Rechargeable and electrochemical cell
RU2669362C2 (en) * 2012-04-13 2018-10-11 Аркема Инк. Battery based on organosulphur compounds
EP2290738B1 (en) * 2003-09-23 2019-07-31 Innolith Assets AG Electrochemical battery cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001143750A (en) * 1999-11-15 2001-05-25 Central Glass Co Ltd Electorlyte for electrochemical device
EP2290738B1 (en) * 2003-09-23 2019-07-31 Innolith Assets AG Electrochemical battery cell
EP2360772A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-24 Fortu Intellectual Property AG Rechargeable and electrochemical cell
RU2669362C2 (en) * 2012-04-13 2018-10-11 Аркема Инк. Battery based on organosulphur compounds

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102470110B1 (en) rechargeable battery cell
JP2024504479A (en) SO2 based electrolyte and rechargeable battery cells for rechargeable battery cells
US20230378540A1 (en) Rechargeable battery cell
RU2772791C1 (en) Battery cell element
RU2786631C1 (en) Battery cell
RU2787017C1 (en) Battery cell
RU2788178C1 (en) Battery cell
RU2784564C1 (en) Accumulator battery element
RU2772790C1 (en) So2 based electrolyte for battery cell and battery cell
JP2024504478A (en) rechargeable battery cells