RU2788178C1 - Battery cell - Google Patents
Battery cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788178C1 RU2788178C1 RU2021136223A RU2021136223A RU2788178C1 RU 2788178 C1 RU2788178 C1 RU 2788178C1 RU 2021136223 A RU2021136223 A RU 2021136223A RU 2021136223 A RU2021136223 A RU 2021136223A RU 2788178 C1 RU2788178 C1 RU 2788178C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery cell
- lithium
- metal
- electrolyte
- cell
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 166
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 121
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 84
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 84
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims abstract description 79
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 75
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims abstract description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 125000001072 heteroaryl group Chemical group 0.000 claims abstract description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 125000000753 cycloalkyl group Chemical group 0.000 claims abstract description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 5
- 125000006374 C2-C10 alkenyl group Chemical group 0.000 claims abstract description 4
- 125000005865 C2-C10alkynyl group Chemical group 0.000 claims abstract description 4
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- -1 from Si Chemical class 0.000 claims description 79
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 74
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 49
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 46
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 45
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 37
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 22
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 claims description 16
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 13
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 13
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 13
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 11
- 125000002015 acyclic group Chemical group 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 8
- 230000000996 additive Effects 0.000 claims description 8
- 229910052803 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 8
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N manganese Chemical group [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-L oxalate Chemical compound [O-]C(=O)C([O-])=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 7
- 125000006656 (C2-C4) alkenyl group Chemical group 0.000 claims description 6
- 125000006650 (C2-C4) alkynyl group Chemical group 0.000 claims description 6
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 125000003636 chemical group Chemical group 0.000 claims description 5
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 claims description 5
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 claims description 5
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims description 5
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 5
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 5
- 239000011232 storage material Substances 0.000 claims description 5
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 claims description 5
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N Tetrafluoroethylene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic Effects 0.000 claims description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001897 terpolymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 claims description 3
- HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N Hexafluoropropylene Chemical group FC(F)=C(F)C(F)(F)F HCDGVLDPFQMKDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Natural products C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K [O-]P([O-])([O-])=O Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 150000001339 alkali metal compounds Chemical group 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 claims description 3
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 3
- 125000001797 benzyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])* 0.000 claims description 3
- KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N butadiene Chemical group C=CC=C KAKZBPTYRLMSJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 claims description 3
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 125000003011 styrenyl group Chemical group [H]\C(*)=C(/[H])C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1[H] 0.000 claims description 3
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 2-Vinylpyridine Chemical compound C=CC1=CC=CC=N1 KGIGUEBEKRSTEW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BJWMSGRKJIOCNR-UHFFFAOYSA-N 4-ethenyl-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound C=CC1COC(=O)O1 BJWMSGRKJIOCNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KFDVPJUYSDEJTH-UHFFFAOYSA-N 4-ethenylpyridine Chemical compound C=CC1=CC=NC=C1 KFDVPJUYSDEJTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DJHGAFSJWGLOIV-UHFFFAOYSA-K Arsenate Chemical compound [O-][As]([O-])([O-])=O DJHGAFSJWGLOIV-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- AQLRWYUVWAYZFO-UHFFFAOYSA-J Lithium tetrachloroaluminate Chemical compound [Li+].Cl[Al-](Cl)(Cl)Cl AQLRWYUVWAYZFO-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 2
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N Propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910006898 SnSi Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 125000003342 alkenyl group Chemical group 0.000 claims description 2
- SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J aluminum;tetrahydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] SMYKVLBUSSNXMV-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 2
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 229940000489 arsenate Drugs 0.000 claims description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- YNQRWVCLAIUHHI-UHFFFAOYSA-L dilithium;oxalate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C(=O)C([O-])=O YNQRWVCLAIUHHI-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-M gallate Chemical compound OC1=CC(C([O-])=O)=CC(O)=C1O LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 claims description 2
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 229910001507 metal halide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000005309 metal halides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910001463 metal phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000002895 organic esters Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000000075 oxide glass Substances 0.000 claims description 2
- 125000004368 propenyl group Chemical group C(=CC)* 0.000 claims description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011029 spinel Substances 0.000 claims description 2
- 150000008053 sultones Chemical class 0.000 claims description 2
- QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N tin(II) oxide Inorganic materials [Sn]=O QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 claims 1
- 229910008336 SnCo Inorganic materials 0.000 claims 1
- GLUCAHCCJMJHGV-UHFFFAOYSA-N dilithium;dioxido(oxo)titanium Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Ti]([O-])=O GLUCAHCCJMJHGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910001537 lithium tetrachloroaluminate Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 claims 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 claims 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 125000005915 C6-C14 aryl group Chemical group 0.000 abstract 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 243
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 26
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 25
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 20
- 150000002430 hydrocarbons Chemical group 0.000 description 15
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 11
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M Lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 10
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 10
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 7
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 7
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 5
- 229920000840 ETFE Polymers 0.000 description 4
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M Lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M Lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 4
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 125000006017 1-propenyl group Chemical group 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 125000000113 cyclohexyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])C1([H])[H] 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 3
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- DVATZODUVBMYHN-UHFFFAOYSA-K lithium;iron(2+);manganese(2+);phosphate Chemical class [Li+].[Mn+2].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O DVATZODUVBMYHN-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000012453 solvate Substances 0.000 description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000006039 1-hexenyl group Chemical group 0.000 description 2
- 125000006023 1-pentenyl group Chemical group 0.000 description 2
- 125000000530 1-propynyl group Chemical group [H]C([H])([H])C#C* 0.000 description 2
- 125000003903 2-propenyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])=C([H])[H] 0.000 description 2
- 125000001494 2-propynyl group Chemical group [H]C#CC([H])([H])* 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K Aluminium chloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 210000001787 Dendrites Anatomy 0.000 description 2
- 229910003054 Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910010238 LiAlCl 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 2
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K Lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Mn+2].[Ni+2].[Li+] Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Ni+2].[Li+] FRMOHNDAXZZWQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002029 aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 2
- 125000000484 butyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 210000003850 cellular structures Anatomy 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 230000002596 correlated Effects 0.000 description 2
- 125000001995 cyclobutyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])(*)C1([H])[H] 0.000 description 2
- 125000001511 cyclopentyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C1([H])[H] 0.000 description 2
- 125000001559 cyclopropyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C1([H])* 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 125000000959 isobutyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 125000004491 isohexyl group Chemical group C(CCC(C)C)* 0.000 description 2
- 125000001972 isopentyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 2
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- NVQAYVUCVASGDK-UHFFFAOYSA-N lithium;1,4,6,9-tetraoxa-5-boranuidaspiro[4.4]nonane-2,3,7,8-tetrone Chemical compound [Li+].O1C(=O)C(=O)O[B-]21OC(=O)C(=O)O2 NVQAYVUCVASGDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VGYDTVNNDKLMHX-UHFFFAOYSA-N lithium;manganese;nickel;oxocobalt Chemical compound [Li].[Mn].[Ni].[Co]=O VGYDTVNNDKLMHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 125000004108 n-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 125000001280 n-hexyl group Chemical group C(CCCCC)* 0.000 description 2
- 125000000740 n-pentyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 125000004123 n-propyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 2
- 125000001971 neopentyl group Chemical group [H]C([*])([H])C(C([H])([H])[H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006864 oxidative decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 125000005913 (C3-C6) cycloalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003229 2-methylhexyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(C([H])([H])[H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- YZYQQJHFYIVWPS-UHFFFAOYSA-N 3,4,5,6-tetradehydrothiopyran Chemical group [CH]1SC#CC#C1 YZYQQJHFYIVWPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000882 C2-C6 alkenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003601 C2-C6 alkynyl group Chemical group 0.000 description 1
- 241001247986 Calotropis procera Species 0.000 description 1
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M Copper(I) chloride Chemical compound [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910016509 CuF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940021013 Electrolyte solutions Drugs 0.000 description 1
- 229910015475 FeF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002068 Fluorinated ethylene propylene Polymers 0.000 description 1
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008555 Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008626 Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010082 LiAlH Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010084 LiAlH4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015015 LiAsF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013075 LiBF Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013184 LiBO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010908 LiM Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012488 LiNi0.55Mn0.30Co0.15O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002099 LiNi0.5Mn1.5O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910011322 LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910011732 LiNi0.7Mn0.2Co0.1O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015976 LiNi0.8MN0.1Co0.1O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015965 LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014425 LiNi1/3MN1/3Co1/3O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014422 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013246 LiNiMnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012424 LiSO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910012513 LiSbF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- YQNQTEBHHUSESQ-UHFFFAOYSA-N Lithium aluminate Chemical compound [Li+].[O-][Al]=O YQNQTEBHHUSESQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXPLOJNSKRXQPA-UHFFFAOYSA-N Lithium hexafluorophosphate Chemical compound [Li+].F[P-](F)(F)(F)(F)F AXPLOJNSKRXQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HZRMTWQRDMYLNW-UHFFFAOYSA-N Lithium metaborate Chemical compound [Li+].[O-]B=O HZRMTWQRDMYLNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFXJWFBILHTTET-UHFFFAOYSA-N Lithium tetrafluoroborate Chemical compound [Li+].F[B-](F)(F)F UFXJWFBILHTTET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M Silver chloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- SGYOHBMMKNRZRP-UHFFFAOYSA-M [Li+].[O-]S(Cl)(=O)=O Chemical compound [Li+].[O-]S(Cl)(=O)=O SGYOHBMMKNRZRP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BVPMZCWLVVIHKO-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Li+] Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Co+2].[Li+] BVPMZCWLVVIHKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- OBFQBDOLCADBTP-UHFFFAOYSA-N aminosilicon Chemical compound [Si]N OBFQBDOLCADBTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 230000011712 cell development Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 125000006547 cyclononyl group Chemical group [H]C1([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])C([H])([H])C1([H])[H] 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 1
- 125000002541 furyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000008079 hexane Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 150000002641 lithium Chemical class 0.000 description 1
- HPQVWDOOUQVBTO-UHFFFAOYSA-N lithium aluminium hydride Substances [Li+].[Al-] HPQVWDOOUQVBTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical group 0.000 description 1
- 229940087748 lithium sulfate Drugs 0.000 description 1
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 description 1
- MCUJFJGJUYOITH-UHFFFAOYSA-N lithium(1-);nickel;oxygen(2-) Chemical compound [Li-].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ni].[Ni].[Ni].[Ni] MCUJFJGJUYOITH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YVBBFYDVCPCHHG-UHFFFAOYSA-H lithium;hexafluoroantimony(1-) Chemical compound [Li+].F[Sb-](F)(F)(F)(F)F YVBBFYDVCPCHHG-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- GTZQZEYBOGZTEO-UHFFFAOYSA-N lithium;hexafluoroarsenic(1-) Chemical compound [Li+].F[As-](F)(F)(F)(F)F GTZQZEYBOGZTEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M lithium;trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Li+].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- VASIZKWUTCETSD-UHFFFAOYSA-N manganese(II) oxide Inorganic materials [Mn]=O VASIZKWUTCETSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- 125000003136 n-heptyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 229910001317 nickel manganese cobalt oxide (NMC) Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atoms Chemical class N* 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N oxygen atom Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atoms Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfones) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 125000004309 pyranyl group Chemical group O1C(C=CC=C1)* 0.000 description 1
- 125000000168 pyrrolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 125000002914 sec-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000011877 solvent mixture Substances 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atoms Chemical group 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 125000001544 thienyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000004222 uncontrolled growth Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
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 и на более крупные элементы аккумуляторной батареи, предназначенные для высокоэнергетического применения, причем сверхбольшое накопление энергии в виде 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 battery cells with relatively low current are required, such as when using mobile phones. However, there has also been an increased demand for larger 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 к таким элементам аккумуляторной батареи 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. Литий является металлом с наиболее низким порядковым номером и поэтому обладает максимальной теоретической удельной емкостью 3,884 мА. ч/г. Он является наиболее электроотрицательным металлом (-3,10 В vs., стандартный водородный электрод (СВЭ)), в результате чего создается максимальное напряжение аккумуляторного элемента по отношению к данному положительному электроду. Кроме того он является наиболее легким металлом (0,54 г/см3), что позволяет достичь максимальную гравиметрическую плотность энергии (Вт.ч/кг) или удельную плотность энергии (Вт/л).An important requirement for such battery cells is 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. Lithium is the lowest atomic metal and therefore has a maximum theoretical specific capacitance of 3.884 mA. h/g It is the most electronegative metal (-3.10V vs. Standard Hydrogen Electrode (SHE)), resulting in maximum cell voltage with respect to that positive electrode. In addition, it is the lightest metal (0.54 g/cm 3 ), which makes it possible to reach the maximum gravimetric energy density (Wh/kg) or specific energy density (W/l).
Активным металлом элемента аккумуляторной батареи называется металл, ионы которого во время зарядки или разрядки элемента перемещаются в электролите в направлении к отрицательному или положительному электроду, участвуя там в электрохимических процессах. Эти электрохимические процессы приводят к непосредственной или косвенной отдаче электронов в наружную электрическую цепь или к поглощению электронов из наружной электрической цепи. Элементы аккумуляторной батареи с литием в качестве активного металла называются также литиевыми элементами. Положительные электроды литиевых элементов выполнены в виде электродов включения. Под понятием ''электрод включения'' в смысле настоящего изобретения подразумеваются электроды, содержащие кристаллическую структуру, в которую ионы активного материала при эксплуатации литиевого элемента внедряются и из которой они выходят.Это значит, что электродные процессы могут протекать не только на поверхности электродов, но и внутри кристаллической структуры. Положительный электрод состоит, например, из оксида лития-кобальта (LiCoO2). Во время зарядки литиевого элемента ионы активного металла выходят из положительного электрода и осаждаются на отрицательном электроде в виде металлического лития. При разрядке литиевого элемента процесс происходит обратный.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 absorption of electrons from an external electrical circuit. Battery cells with lithium as the active metal are also called lithium cells. Positive electrodes of lithium cells are made in the form of switching electrodes. The term "switch-on electrode" in the sense of the present invention refers to electrodes containing a crystal structure into which ions of the active material are introduced and exited during operation of the lithium cell. This means that electrode processes can occur not only on the surface of the electrodes, but and within the crystal structure. The positive electrode consists, for example, of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). During charging of the lithium cell, active metal ions exit the positive electrode and deposit on the negative electrode as lithium metal. When a lithium cell is discharged, the process is reversed.
Электролит также является важным функциональным элементом любого элемента аккумуляторной батареи. В нем содержатся в большинстве случаев растворитель или смесь растворителей и, по меньшей мере, одна проводящая соль. Например, твердые электролиты или ионные жидкости не содержат растворители, а только проводящую соль, увеличивающую электропроводность электролита. Электролит контактирует с положительным и отрицательным электродами элемента аккумуляторной батареи. По меньшей мере, один ион проводящей соли (анион или катион) обладает в электролите 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 разлагается вследствие электрохимического 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 котором 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 conductive salt. For example, solid electrolytes or ionic liquids do not contain solvents, but only a conductive salt that increases the electrical conductivity of the electrolyte. The electrolyte contacts the positive and negative electrodes of the battery cell. At least one conducting salt ion (anion or cation) has such a mobility in the electrolyte that, as a result of ionic conduction, the charge transfer between the electrodes necessary for the functioning of the battery cell can take place. Starting from a certain upper battery cell voltage, the electrolyte decomposes due to electrochemical 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 in which the battery cell can be reversibly operated, i.e. repeatedly charged and discharged.
Известные из уровня техники литиевые элементы содержат электролит, состоящий из органического растворителя или смеси органических растворителей и растворенной в них проводящей соли. Такая проводящая соль представляет собой соль лития, например, гексафторфосфат лития (LiPF6). Смесь растворителей может содержать, например, этиленкарбонат (ЭК). Электролит LP57, имеющий состав 1 М LiPF6 в среде ЭК : ЭМК (этилметилкарбонат) 3 : 7 (ЕС:ЕМС), представляет собой пример такого электролита. Из-за присутствия органического растворителя или смеси органических растворителей такие литиевые элементы называется также органическими литиевыми элементами.Lithium cells known from the prior art contain an electrolyte consisting of an organic solvent or a mixture of organic solvents and a conductive salt dissolved therein. Such a 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 (EC:EMC), is an example of such an electrolyte. Due to the presence of an organic solvent or a mixture of organic solvents, such lithium cells are also referred to as organic lithium cells.
Непроизвольная перезарядка органических литиевых элементов ведет к необратимому разложению компонентов электролита. При этом происходит окислительное разложение органического растворителя и/или проводящей 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 литиевого элемента. В подавляющем большинстве протоколов зарядки таких литиевых 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 несколько органических литиевых элементов с несовпадающей емкостью соединены последовательно. Также восстановительное разложение органического электролита на отрицательном электроде литиевого элемента является необратимым. Органические растворители не являются в термодинамическом отношении устойчивыми по отношению к литию или же накопленному в углероде литию (LixC6). Однако многие растворители образуют на поверхности отрицательного электрода пассивирующую пленку. Эта пленка пространственно отделяет растворитель от электрода, но является ионопроводной и таким образом обеспечивает прохождение ионов лития. Пассивирующая пленка, так называемая ''твердая электролитная межфаза (Solid Electrolyte Interphase (ТЭМ)), придает системе устойчивость, что дает возможность для производства литиевых элементов аккумуляторной батареи. При образовании твердой электролитной межфазы (ТЭМ) литий встраивается в пассивирующую пленку. Этот процесс является необратимым и следовательно считается потерей емкости.Involuntary recharge of organic lithium cells leads to irreversible decomposition of electrolyte components. When this occurs, oxidative decomposition of the organic solvent and/or conductive salt 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 cell. In the vast majority of charging protocols for such lithium cells, the cell voltage appears as an indicator of the end of charging. At the same time, accidents due to thermal runaway are especially likely in the case of using a set of multi-cell batteries in which several organic lithium cells with a mismatched capacity are connected in series. Also, the reductive decomposition of the organic electrolyte at the negative electrode of the lithium cell is irreversible. Organic solvents are not thermodynamically stable with respect to lithium or 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 and thus allows the passage of lithium ions. The passivation film, the so-called ''Solid Electrolyte Interphase (TEM)'', gives the system stability, enabling the production of lithium battery cells. During the formation of a solid electrolyte interface (TEM), lithium is incorporated into the passivation film. This process is irreversible and is therefore considered a loss of capacity.
Невосполнимая потеря емкости, называемая также емкостью слоя покрытия, зависит от состава применяемого электролита и используемых электродов. В органических литиевых элементах разложение электролита и образование содержащих ионы лития слоев часто происходит во время последующей эксплуатации литиевого элемента и служит причиной потери емкости и следовательно сокращения срока службы элемента аккумуляторной батареи. Также во время хранения заряженных литиевых элементов могут происходить потери емкости. В основе этого так называемого саморазряда могут лежать как необратимые процессы (разложение электролита), так и обратимые процессы, при которых накопленный в отрицательном электроде литий переходит в раствор электролита и может снова использоваться при последующей зарядке.The irreplaceable loss of capacitance, also called capacitance of the coating layer, depends on the composition of the electrolyte used and the electrodes used. In organic lithium cells, the decomposition of the electrolyte and the formation of layers containing lithium ions often occurs during the subsequent operation of the lithium cell and causes a loss of capacity and therefore a reduction in the service life of the battery cell. Capacitance losses may also occur during storage of charged lithium cells. This so-called self-discharge can be based on both irreversible processes (electrolyte decomposition) and reversible processes in which lithium accumulated in the negative electrode passes into the electrolyte solution and can be used again during subsequent charging.
Поэтому органические литиевые элементы проблематичны в отношении их стойкости и долгосрочной эксплуатационной надежности. Риски относительно надежности обусловлены также, в частности, горючестью органического растворителя или смеси органических растворителей. Если органический литиевый элемент воспламеняется или даже взрывается, тогда металлический литий образует высокореакционноспособную субстанцию, а органический растворитель электролита горючий материал. Для исключения таких рисков необходимы дополнительные меры. Известное из уровня техники усовершенствование предусматривает применение электролита на основе диоксида серы (SO2) вместо органического электролита для элементов аккумуляторной батареи. Элементы аккумуляторной батареи, содержащие электролит на основе SO2, характеризуются в числе прочего большой ионной проводимостью. Под понятием ''электролит на основе SO2'' следует понимать такой электролит, в котором SO2 содержится не только в качестве добавки при низкой концентрации, но в котором также подвижность ионов проводящей соли, содержащейся в электролите и вызывающей перенос зарядов, обеспечивается, по меньшей мере, частично, большей частью или даже полностью благодаря SO2. Следовательно SO2 служит в качестве растворителя для проводящей соли. Эта проводящая соль может образовывать с газообразным SO2 сольватный комплекс, причем SO2 связывается и давление пара заметно падает по сравнению с чистым SO2. Образуются электролиты с низким давлением пара. Такие электролиты на основе SO2 обладают по сравнению с описанными выше органическими электролитами преимуществом, выражающимся в негорючести. Риски относительно надежности, вызываемые горючестью электролита, в результате этого могут быть предупреждены.Therefore, organic lithium cells are problematic in terms of their durability and long-term operational reliability. Reliability risks are also caused, in particular, by the flammability of the organic solvent or mixture of organic solvents. If an organic lithium cell ignites or even explodes, then metallic lithium forms a highly reactive substance, and an organic electrolyte solvent is a combustible material. Additional measures are needed to eliminate such risks. A prior art improvement involves the use of a sulfur dioxide (SO 2 ) based electrolyte instead of an organic electrolyte for battery cells. Battery cells containing an electrolyte based on SO 2 are characterized, among other things, by high ionic conductivity. The term "SO 2 -based electrolyte" is to be understood as an electrolyte in which SO 2 is present not only as an additive at a low concentration, but also in which the mobility of the ions of the conductive salt contained in the electrolyte and causing charge transfer is ensured, at least, partly, mostly or even entirely due to SO 2 . Hence SO 2 serves as a solvent for the conductive salt. This conductive salt can form a solvate complex with gaseous SO 2 , wherein the SO 2 binds and the vapor pressure drops markedly compared to pure SO 2 . Electrolytes with low vapor pressure are formed. Such electrolytes based on SO 2 have the advantage of non-combustibility compared to the organic electrolytes described above. Reliability risks caused by the flammability of the electrolyte can therefore be prevented.
Применение металлического лития в качестве активного металла для отрицательного электрода элемента аккумуляторной батареи привносит разные проблемы. В процессе зарядки литий осаждается не единообразно, а в виде дендритов. Неконтролируемый рост дендритов лития ведет к скоплению максимально реакционноспособного металла с большой площадью поверхности и может вызвать критичные для безопасности состояния. Термодинамическая нестабильность металлического лития обуславливает неизбежные и постоянные реакции между этим литием и электролитом. В результате образуются нежелательно толстые пассивирующие слои на поверхности металлического лития, на которые расходуются литий и компоненты электролита. Вследствие этого возрастает внутреннее сопротивление и сокращается срок службы литиевого элемента аккумуляторной батареи. При повторной зарядке и разрядке могут проявляться значительные объемные и морфологические изменения внутри анода из металлического лития. Упомянутые выше пассивирующие пленки (ТЭМ) являются слишком нестабильными для того, чтобы полностью предупредить такие значительные изменения. Как в отношении литиевых элементов с органическими растворами электролита, так и в отношении элементов с электролитами на основе SO2 ведутся поиски решений приведенных выше проблем в связи с анодами из металлического лития.The use of lithium metal as an active metal for the negative electrode of a battery cell introduces various problems. During the charging process, lithium is not deposited uniformly, but in the form of dendrites. The uncontrolled growth of lithium dendrites leads to the accumulation of the most reactive metal with a large surface area and can cause safety-critical conditions. The thermodynamic instability of lithium metal causes inevitable and constant reactions between this lithium and the electrolyte. As a result, undesirably thick passivating layers are formed on the surface of lithium metal, which consume lithium and electrolyte components. As a result, the internal resistance increases and the service life of the lithium battery cell is shortened. Upon repeated charging and discharging, significant volumetric and morphological changes can occur within the lithium metal anode. The passivation films (TEMs) mentioned above are too unstable to completely prevent such significant changes. For both lithium cells with organic electrolyte solutions and cells with SO 2 based electrolytes, solutions are being sought for solutions to the above problems in connection with lithium metal anodes.
Авторы источника информации (V1): ''Dendrite-Free Lithium Deposition Induced by Distributed Lithium Ions for Efficient Lithium Metal Batteries'', Xin-Bing Cheng, Ting-Zheng Hou, Rui Zhang, Hong-Jie Peng, Chen-Zi Zhao, Jia-Qi Huang Zhang; Adv. Mater. 2016, 28, 2888-2895'' сообщают об аккумуляторной батареи с металлическим литием и органическим электролитом. Для получения свободного от дендритов анода из металлического лития ими применялась трехмерная ткань из стекловолокон с большим количеством полярных групп для осаждения лития.Source Authors (V1): ''Dendrite-Free Lithium Deposition Induced by Distributed Lithium Ions for Efficient Lithium Metal Batteries'', Xin-Bing Cheng, Ting-Zheng Hou, Rui Zhang, Hong-Jie Peng, Chen-Zi Zhao, Jia-Qi Huang Zhang; Adv. mater. 2016, 28, 2888-2895'' report on a rechargeable battery with lithium metal and organic electrolyte. To obtain a dendrite-free anode from lithium metal, they used a three-dimensional glass fiber cloth with a large number of polar groups to deposit lithium.
В US 7,901,811 В2 (ниже V2) описан элемент из металлического лития с электролитом на основе SO2, содержащим проводящую соль тетрахлоралюминат лития (LiAICl4). Для предупреждения недостатков, связанных с дендритным осаждением, предложена образуемая частицами твердого вещества пористая структура, выполненная и расположенная таким образом, что литий, осаждаемый при зарядке элемента из металлического лития, с поверхности разрядника проникает в поры пористой структуры и там снова осаждается.US 7,901,811 B2 (below V2) describes a lithium metal cell with an SO 2 based electrolyte containing a conductive lithium tetrachloroaluminate salt (LiAICl 4 ). To prevent the disadvantages associated with dendritic deposition, a porous structure formed by particles of a solid material is proposed, made and arranged in such a way that lithium deposited during charging of a lithium metal element penetrates from the surface of the spark gap into the pores of the porous structure and is deposited there again.
Недостаток, который, в числе прочего, проявляется и в этом электролите на основе SO2, заключается в том, что возможные, образующиеся в присутствии остаточной воды продукты гидролиза реагируют с компонентами элемента аккумуляторной батареи и вследствие этого создаются нежелательные побочные продукты. Вследствие этого при изготовлении таких элементов аккумуляторной батареи с электролитом на основе SO2 необходимо следить за минимизацией остаточной воды в электролите и компонентах элемента аккумуляторной батареи.A disadvantage, which also occurs in this SO 2 -based electrolyte, among other things, is that possible hydrolysis products formed in the presence of residual water react with the components of the battery cell and, as a result, undesirable by-products are created. Therefore, when manufacturing such battery cells with an SO 2 based electrolyte, care must be taken to minimize residual water in the electrolyte and battery cell components.
Другая присущая электролитам на основе SO2 проблема заключается в том, что многие, в частности, известные по органическим литиевым элементам, проводящие соли не растворимы в среде SO2. Измерениями установлено, что SO2 является плохим растворителем для многих проводящих солей, например, для фторида лития (LiF), бромида лития (LiBr), сульфата лития (Li2SO4), бис(оксалат)бората лития (LiBOB), гексафторарсената лития (LiAsF6), тетрафторбората лития (LiBF4), трилитийгексафторалюмината (Li3AIF6), гексафторантимоната лития (LiSbF6), дифтор(оксалат)бората лития (LiBF2C2O4), бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI), метабората лития (LiBO2), алюмината лития (LiAIO2), трифлата лития (LiCF3SO3) и хлорсульфоната лития (LiSO3Cl). Растворимость этих проводящих солей в SO2 составляет около 10-2-10-4 моль/л (см. табл. 1). При таких низких концентрациях соли следует иметь в виду, что в любом случае произойдет лишь незначительная растворимость, не являющаяся достаточной для эффективной эксплуатации элемента аккумуляторной батареи.Another problem inherent in electrolytes based on SO 2 is that many conductive salts, in particular those known from organic lithium cells, are insoluble in SO 2 . It has been measured that SO 2 is a poor solvent for many conductive salts, such as lithium fluoride (LiF), lithium bromide (LiBr), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), lithium bis(oxalate) borate (LiBOB), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), trilithium hexafluoroaluminate (Li 3 AIF 6 ), lithium hexafluoroantimonate (LiSbF 6 ), lithium difluoro(oxalate) borate (LiBF 2 C 2 O 4 ), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI ), lithium metaborate (LiBO 2 ), lithium aluminate (LiAIO 2 ), lithium triflate (LiCF 3 SO 3 ), and lithium chlorosulfonate (LiSO 3 Cl). The solubility of these conductive salts in SO 2 is about 10 -2 -10 -4 mol/l (see Table 1). At such low salt concentrations, it should be borne in mind that in any case only a slight solubility will occur, which is not sufficient for efficient operation of the battery cell.
Для дополнительного улучшения возможностей применения и свойств элементов аккумуляторных батарей, содержащих электролит на основе SO2, в основу настоящего изобретения положена задача создания элемента аккумуляторной батареи с электролитом на основе SO2, который, по сравнению с известными из уровня техники элементами аккумуляторной батареи:To further improve the applicability and properties of battery cells containing SO 2 based electrolyte, the present invention is based on the task of providing a battery cell with SO 2 based electrolyte, which, in comparison with prior art battery cells:
- обладает улучшенными электрическими рабочими- has improved electrical working
характеристиками, в частности, высокой плотностью энергии;characteristics, in particular, high energy density;
- содержит на отрицательном электроде устойчивый слой покрытия, при этом емкость этого слоя должна быть низкой и при последующей эксплуатации не должно происходить восстановительного разложения электролита на отрицательном электроде;- contains a stable coating layer on the negative electrode, while the capacity of this layer should be low and during subsequent operation there should be no reductive decomposition of the electrolyte on the negative electrode;
- содержит электролит на основе SO2, способствующий по возможности однообразному осаждению металлического лития,- contains an electrolyte based on SO 2 , which contributes to the uniform deposition of lithium metal,
- содержит электролит на основе SO2, обладающий хорошей растворяющей способностью для проводящих солей, и следовательно служит хорошим проводником ионов и электронным изолятором, что упрощает перенос ионов и ограничивает до минимума саморазряд,- contains an electrolyte based on SO 2 , which has a good dissolving power for conductive salts, and therefore serves as a good conductor of ions and an electronic insulator, which facilitates the transport 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 that 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;
- имеет широкий электрохимический диапазон, вследствие чего отсутствует окислительное разложение электролита на положительном электроде;- has a wide electrochemical range, as a result of which there is no oxidative decomposition of the electrolyte on the positive electrode;
- 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
- обладает повышенным сроком службы, в частности, большим числом циклов зарядки и разрядки.- has 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 элементов аккумуляторной батареи.Such battery cells must have, in particular, 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 the operation of the battery cells.
Цель достигается посредством выполнения элемента аккумуляторной батареи с признаками пункта 1 формулы изобретения. В пунктах 2-29 формулы изобретения описаны предпочтительные варианты развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению.The goal is achieved by performing a battery cell with the characteristics of
Элемент аккумуляторной батареи согласно изобретению содержит активный металл, по меньшей мере, один положительный электрод с разрядным элементом, по меньшей мере, один отрицательный электрод с разрядным элементом, корпус и электролит.Отрицательный электрод содержит, по меньшей мере, в заряженном состоянии элемента аккумуляторной батареи металлический литий в качестве активного материала.The battery cell according to the invention contains an active metal, at least one positive electrode with a discharge cell, at least one negative electrode with a discharge cell, a housing and an electrolyte. lithium as active material.
Электролит основан на SO2 и содержит, по меньшей мере, одну первую проводящую соль. Эта соль отвечает формуле (1):The electrolyte is based on SO 2 and contains at least one first conductive salt. This salt corresponds to formula (1):
В формуле (I) означают: М - металл, выбираемый из группы, состоящей из: щелочных металлов, щелочноземельных металлов, цинка и алюминия, х - целое число от 1 до 3. Заместители R1, R2, R3 и R4, независимо друг от друга, выбраны из группы, состоящей из C1-C10 алкила, C2-C10 алкенила, C2-C10 алкинила, C3-C10 циклоалкила, C6-C14 арила и C5-C14 гетероарила.In the formula (I) means: M is a metal selected from the group consisting of: alkali metals, alkaline earth metals, zinc and aluminum, x is an integer from 1 to 3. Substituents R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , independently of each other, 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.
Центральным атомом Z является атом либо алюминия, либо бора. Электролит, применяемый в выполненном согласно изобретению элементе аккумуляторной батареи и основанный на SО2, содержит SO2 не только как добавку в незначительной концентрации, но также и в концентрациях, при которых обеспечивается подвижность ионов первой проводящей соли, содержащейся в электролите и ответственной за перенос ионов, по меньшей мере, частично, большей частью или даже полностью посредством SO2. Первая проводящая соль растворена в электролите и обладает в нем очень хорошей растворимостью. 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 получении электролита согласно изобретению, в зависимости от химической структуры первой проводящей соли формулы (I), может не происходить снижения 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), различающихся своей химической структурой.The central atom Z is either aluminum or boron. The electrolyte used in the battery cell according to the invention and based on SO 2 contains SO 2 not only as an additive in a small concentration, but also in concentrations that ensure the mobility of the ions of the first conductive salt contained in the electrolyte and responsible for the transport of ions , at least partially, mostly or even completely through SO 2 . The first conductive salt is dissolved in the electrolyte 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 markedly reduced compared to pure SO 2 and electrolytes with low vapor pressure are formed. However, it is also within the scope of the invention that, depending on the chemical structure of the first conductive salt of the formula (I), the vapor pressure may not decrease when the electrolyte according to the invention is prepared. 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 in their chemical structure.
Понятие ''C1-С10 алкил'' включает в себя в смысле настоящего изобретения 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, н-гексил, изо-гексил, 2-этилгексил, н-гептил, изо-гептил, н-октил, изо-октил, н-нонил, н-децил и др.The term "C 1 -C 10 alkyl" includes in the sense of 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, n-hexyl, iso-hexyl, 2-ethylhexyl, n-heptyl, iso-heptyl, n-octyl, iso-octyl, n-nonyl, n-decyl, etc.
Понятие ''С2-С10 алкенил '' включает в себя в смысле настоящего изобретения ненасыщенные линейные или разветвленные углеводородные группы, содержащие 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-н-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, in the sense of 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-n-butenyl, iso-butenyl, 1-pentenyl, 1-hexenyl, 1-heptenyl, 1-octenyl, 1- nonenyl, 1-decenyl, etc.
Понятие ''С2-С10 алкинил '' включает в себя в смысле настоящего изобретения 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, изобутинил, 1-пентинил, 1-гексинил, 1-гептинил, 1-октинил, 1-нонинил, 1-децинил и др.The term "C 2 -C 10 alkynyl" includes, in the sense of 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, isobutynyl, 1-pentynyl, 1-hexynyl, 1-heptynyl, 1-octynyl, 1-noninyl, 1-decynyl, etc.
Понятие ''С3-С10 циклоалкил'' включает в себя в смысле настоящего изобретения 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 in the sense of 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 ''С6-С14 арил'' включает в себя в смысле настоящего изобретения ароматические углеводородные группы, содержащие от шести до четырнадцати кольцевых атомов углерода. Сюда относятся, в частности, фенил (группа С6Н5), нафтил (группа С10Н7) и антрацил (группа С14Н9).The term "C 6 -C 14 aryl" includes in the sense of the present invention aromatic hydrocarbon groups containing from six to fourteen ring carbon atoms. These include in particular phenyl (C 6 H 5 group), naphthyl (C 10 H 7 group) and anthracyl (C 14 H 9 group).
Понятие ''С5-С14 гетероарил'' включает в себя в смысле настоящего изобретения ароматические углеводородные группы, содержащие от пяти до четырнадцати кольцевых углеродных атомов, в которых, по меньшей мере, один атом углеводорода 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 sense of the present invention aromatic hydrocarbon groups containing from five to fourteen ring carbon atoms in which at least one hydrocarbon 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 via an oxygen atom to the central atom according to formula (I).
Элемент аккумуляторной батареи с таким электролитом имеет то преимущество по сравнению с элементами аккумуляторной батареи с электролитами, известными из предшествующего уровня техники, что содержащаяся в нем первая проводящая соль обладает повышенной стойкостью к окислению и вследствие этого по существу не подвержена разложению при повышенных напряжениях элемента. Этот электролит устойчив к окислению предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,0 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,2 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,4 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,6 В, предпочтительно, по меньшей мере, при верхнем потенциале до 4,8 В, особо предпочтительно, в частности, при верхнем потенциале до 5,0 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 the advantage over prior art battery cells with electrolytes that the first conductive salt contained therein has improved resistance to oxidation and is therefore substantially immune to degradation at elevated cell voltages. 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 4.2 V, preferably at least at an upper potential up to 4.4 V, preferably at least at an upper potential of up to 4.6 V, preferably at least at an upper potential of up to 4.8 V, particularly preferably at an upper potential of up to 5.0 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 final charge voltage and the final discharge voltage of 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 возрос по сравнению с элементом аккумуляторной батареи с известным из уровня техники электролитом.The service life of a battery cell with such an electrolyte is markedly increased compared to 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 элемента аккумуляторной батареи.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 остатки 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, обусловленным тем фактом, что первая проводящая соль формулы (I) имеет анионы значительно большего размера по сравнению с известными из уровня техники проводящими солями. Такой увеличенный размер анионов вызывает, по сравнению с электропроводностью LiAICl4, 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 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 with respect to element components. As a result, the absence of water in the electrolyte plays a less significant role compared to prior art SO 2 based electrolytes. These advantages of the electrolyte according to the invention outweigh the disadvantage due to 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 LiAICl 4 , a lower electrical conductivity of the first conductive salt of formula (I).
Отрицательный электрод.negative electrode.
Активным материалом отрицательного электрода служит металлический литий. Это означает, что литий является также активным металлом повторно заряжаемой аккумуляторной батареи. Он осаждается при зарядке аккумуляторной батареи на разрядном элементе отрицательного электрода. Это значит, что отрицательный электрод имеет помимо металлического лития в качестве активного материала также разрядный элемент. Согласно другому предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи по изобретению предусмотрено, что отрицательный электрод имеет разрядный элемент. Это значит, что отрицательный электрод содержит наряду с активным материалом или материалом внедрения также разрядный элемент. Этот разрядный элемент предназначен для обеспечения необходимого проводящего электроны подключения активного материала отрицательного электрода. Для этого разрядный элемент контактирует с активным материалом, участвующим в протекающей на отрицательном электроде реакции. При разрядке элемента аккумуляторной батареи металлический литий преобразуется в ионы лития, при этом ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному. Поскольку положительный электрод выполнен в виде интеркалярного электрода, то ионы лития находятся в незаряженном состоянии элемента аккумуляторной батареи, по меньшей мере, частично в основной матрице активного материала положительного интеркалярного электрода.The active material of the negative electrode is lithium metal. This means that lithium is also the active metal of the rechargeable battery. It is deposited when the battery is charged on the discharge element of the negative electrode. This means that the negative electrode, in addition to metallic lithium, also has a discharge element as an active material. According to another preferred embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided that the negative electrode has a discharge cell. This means that the negative electrode contains, in addition to the active or interstitial material, also a discharge element. This discharge element is designed to provide the necessary electron-conductive connection of the negative electrode active material. To do this, the discharge element is in contact with the active material involved in the reaction taking place on the negative electrode. When a battery cell is discharged, lithium metal is converted to lithium ions, with the lithium ions moving from the negative electrode to the positive. Since the positive electrode is made in the form of an intercalary electrode, the lithium ions are in the uncharged state of the battery cell, at least partially in the main matrix of the active material of the positive intercalary electrode.
Ниже описаны предпочтительные варианты развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи относительно отрицательного электрода.The preferred embodiments of the battery cell according to the invention with respect to the negative electrode are described below.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного по изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что имеющий электронную проводимость разрядный элемент отрицательного электрода в разряженном состоянии элемента аккумуляторной батареи не содержит металлического лития. При зарядке элемента аккумуляторной батареи металлический литий осаждается на имеющем электронную проводимость разрядном элементе отрицательного электрода. При разрядке металлический литий по существу целиком растворяется и в виде ионов поступает в основную матрицу активного материала положительного электрода.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the electronically conductive negative electrode discharge element in the discharged state of the battery cell does not contain lithium metal. When the battery cell is being charged, lithium metal is deposited on the electronically conductive negative electrode discharge cell. Upon discharging, the lithium metal substantially dissolves completely and enters in the form of ions into the main matrix of the positive electrode active material.
Согласно другому предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что проводящий электроны разрядный элемент отрицательного электрода уже до первой зарядки элемента аккумуляторной батареи содержит металлический литий. Во время зарядки элемента аккумуляторной батареи дополнительный металлический литий осаждается на проводящем электроны разрядном элементе. При разрядке металлический литий полностью или частично растворяется и поступает в виде ионов в основную матрицу активного материала положительного электрода.According to another advantageous development of the battery cell, it is provided that the electron-conducting negative electrode discharge element contains lithium metal already before the first charging of the battery cell. During charging of the battery cell, additional lithium metal is deposited on the electron-conducting discharge cell. When discharging, lithium metal completely or partially dissolves and enters in the form of ions into the main matrix of the active material of the positive electrode.
Металлический литий, уже находящийся на разрядном элементе, может быть, во-первых, нанесен на разрядный элемент до сборки элемента аккумуляторной батареи и затем вместе с ним встроен в элемент аккумуляторной батареи. Во-вторых, металлический литий может быть осажден на разрядном элементе отрицательного электрода до эксплуатации элемента аккумуляторной батареи, т.е. перед первой зарядкой и разрядкой путем предшествующего инициализирующего процесса зарядки.Lithium metal already present on the discharge cell can firstly be deposited on the discharge cell prior to assembly of the battery cell and then integrated into the battery cell together with it. Secondly, lithium metal may be deposited on the negative electrode discharge cell prior to the battery cell being used, i.e. before the first charging and discharging by the previous initializing charging process.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, чтобы проводящий электроны разрядный элемент отрицательного электрода не содержал металлического лития перед первой зарядкой элемента аккумуляторной батареи. При зарядке элемента аккумуляторной батареи металлический литий осаждается на проводящем электроны разрядном элементе. При разрядке металлический литий растворяется полностью или частично и поступает в виде ионов в основную матрицу активного материала положительного электрода.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the electron-conducting discharge element of the negative electrode does not contain any metallic lithium before the first charging of the battery cell. When a battery cell is being charged, lithium metal is deposited on the electron-conducting discharge cell. When discharging, lithium metal dissolves completely or partially and enters in the form of ions into the main matrix of the active material of the positive electrode.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что разрядный элемент отрицательного электрода выполнен, по меньшей мере, частично, из накапливающего литий материала. Согласно этому варианту выполнения при зарядке элемента аккумуляторной батареи сначала накапливается часть выходящего из электродной реакции лития в проводящем электроны разрядном элементе, выполненном из накапливающего литий материала. При последующей зарядке элемента аккумуляторной батареи металлический литий осаждается на проводящем электроны разрядном элементе. При разрядке металлический литий полностью или только частично растворяется и в виде ионов поступает в основную матрицу активного материала положительного электрода.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the negative electrode discharge cell is made at least in part of a lithium storage material. According to this embodiment, when the battery cell is charged, a portion of the lithium discharged from the electrode reaction is first accumulated in an electron-conducting discharge cell made of lithium storage material. When the battery cell is subsequently charged, lithium metal is deposited on the electron-conducting discharge cell. When discharging, lithium metal completely or only partially dissolves and enters in the form of ions into the main matrix of the active material of the positive electrode.
Накапливающим литий материалом может служить, например, материал внедрения в виде углерода, в частности, в виде графита. Им может быть также образующий с литием сплав материал, например, накапливающие литий металлы и сплавы металлов (например, Si, Ge, Sn, SnCo9xCy, SnSix и др., предпочтительно кремний) или оксиды накапливающих литий металлов или сплавов металлов (например, SnOx, SiOx, оксидные стекла Sn, Si и др.) или литиевый интеркалярный материал без содержания углерода, например, титанаты лития, в частности, Li4Ti5O12. Также конверсионные материалы, например, оксиды переходных металлов, могут применяться в качестве накапливающих литий материалов.The lithium storage material can be, for example, an interstitial material in the form of carbon, in particular in the form of graphite. It can also be a material that forms an alloy with lithium, for example, lithium storage metals and metal alloys (for example, Si, Ge, Sn, SnCo9 x C y , SnSi x , etc., preferably silicon) or oxides of lithium storage metals or metal alloys ( eg SnO x , SiO x , oxide glasses Sn, Si, etc.) or a carbon-free lithium intercalary material, eg lithium titanates, in particular Li 4 Ti 5 O 12 . Also, conversion materials, such as transition metal oxides, can be used as lithium storage materials.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что разрядный элемент отрицательного электрода выполнен плоским в виде тонкого металлического листа или тонкой металлической фольги. Предпочтительно тонкая металлическая фольга имеет дырчатую или сетчатую структуру. Плоский разрядный 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 отрицательного электрода наносится предпочтительно на поверхность тонкого металлического листа, тонкой металлической фольги или полимерной пленки с металлическом покрытием. Нанесение активного материала может производиться на лицевую и/или оборотную сторону плоского разрядного элемента. Подобные плоские разрядные элементы имеют толщину в диапазоне от 5 до 50 мкм. Предпочтительно толщина плоского разрядного элемента составляет от 10 до 30 мкм. При использовании плоских разрядных элементов общая толщина отрицательного 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 отрицательного электрода, отнесенная к покрытию на одной стороне, составляет при использовании плоского разрядного элемента в заряженном состоянии элемента аккумуляторной батареи преимущественно, по меньшей мере, 0,5 мА.ч/см2, причем в этой последовательности предпочтительными являются следующие показатели: 1 мА.ч/см2, 3 мА.ч/см2, 5 мА.ч/см2, 10 мА.ч/см2, 15 мА.ч/см2, 20 мА.ч/см2, 25 мА.ч/см2.According to a preferred development of the battery element according to the invention, it is provided that the negative electrode discharge element is made flat in the form of a thin metal sheet or a thin metal foil. Preferably, the thin metal foil has a perforated or mesh structure. The flat discharge element may also consist of a metal-coated polymer film. Such metallic coatings have a thickness in the range of 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 application of the active material can be carried out on the front and/or back side of the flat discharge element. Such flat discharge elements have a thickness in the range from 5 to 50 μm. Preferably, the thickness of the flat discharge element is 10 to 30 µm. When flat discharge elements are used, the total thickness of the negative electrode may 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 cell in the charged state of the battery cell, and in this sequence the following indicators are preferable : 1 mAh/cm 2 , 3 mAh/cm 2 , 5 mAh/cm 2 , 10 mAh/cm 2 , 15 mAh/cm 2 , 20 mAh/cm 2 , 25 mAh/cm 2 .
Кроме того присутствует возможность того, что разрядный элемент может быть выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены. Понятие ''трехмерная пористая металлическая структура'' включает в себя любую структуру из металла, которая простирается не только по длине и ширине плоского электрода, как это происходит у тонкого металлического листа или металлической фольги, но также и по его толщине. Трехмерная пористая металлическая структура настолько пориста, что активный материал отрицательного электрода, т.е. металлический литий, может осаждаться в порах металлической структуры. Количеством осажденного активного материала определяется заряд отрицательного электрода. Если разрядный 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. Толщина электродов в этом случае заметно больше по сравнению с отрицательными электродами, применяемыми в органических литиевых элементах аккумуляторной батареи.In addition, there is the possibility that the discharge 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" includes any metal structure that extends not only along the length and width of a flat electrode, as occurs with a thin metal sheet or metal foil, but also along its thickness. The three-dimensional porous metal structure is so porous that the active material of the negative electrode, i.e. metal lithium, can be deposited in the pores of the metal structure. The amount of deposited active material determines the charge of the negative electrode. 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. The thickness of the electrodes in this case is noticeably larger compared to the negative electrodes used in organic lithium batteries.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, что поверхностно-удельная емкость отрицательного электрода в заряженном состоянии элемента аккумуляторной батареи составляет при использовании трехмерного разрядного элемента, в частности, в виде металлической пены, предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мА.ч/см2, причем в этой последовательности предпочтительны следующие показатели: 5 мА.ч/см2, 15 мА.ч/см2, 25 мА.ч/см2, 35 мА.ч/см2, 45 мА.ч/см2.According to another preferred embodiment, it is provided that the surface specific capacity of the negative electrode in the charged state of the battery cell is, when using a three-dimensional discharge cell, in particular in the form of a metal foam, preferably at least 2.5 mAh/cm 2 , and in this sequence the following indicators are preferred: 5 mAh/cm 2 , 15 mAh/cm 2 , 25 mAh/cm 2 , 35 mAh/cm 2 , 45 mAh/cm 2 .
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что разрядный элемент содержит 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 или соли аммония сопряженной карбоновой кислоты или их комбинации. Также связующее может состоять из полимера на основе мономерных структурных звеньев стирола и бутадиена. Кроме того связующее может происходить из группы карбоксиметилцеллюлоз. Связующее присутствует в отрицательном электроде преимущественно 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 отрицательного электрода. Электролит.According to another preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the discharge cell contains a 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 from an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt or an ammonium salt of a 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 negative electrode preferably at a concentration of at most 20 wt.%, preferably at most 15 wt.%, preferably at most 10 wt.%, preferably at most 7 wt.%, preferably at most 5 wt.%, particularly preferably not more than 2 wt.%, based on the total weight of the negative electrode. Electrolyte.
Ниже описаны предпочтительные варианты развития элемента аккумуляторной батареи применительно к электролиту на основе SO2.The preferred battery cell developments in relation to SO 2 -based electrolyte are described below.
Согласно предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи заместители R1, R2, R3, R4 первой проводящей соли выбираются независимо друг от друга из группы, состоящей из:According to a preferred embodiment of the battery cell, the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 of the first conductive salt are independently selected from the group consisting of:
- C1-С6 алкила, предпочтительно С2-С4 алкила, особо предпочтительно алкильных групп 2-пропил, метил и этил;- C 1 -C 6 alkyl, preferably C 2 -C 4 alkyl, particularly preferably alkyl groups 2-propyl, methyl and ethyl;
- С2-С6 алкенила, предпочтительно С2-С4 алкенила, особо предпочтительно алкенильных групп этенил и пропенил;- C 2 -C 6 alkenyl, preferably C 2 -C 4 alkenyl, particularly preferably ethenyl and propenyl alkenyl groups;
- С2-С6 алкинила, предпочтительно С2-С4 алкинила;- C 2 -C 6 alkynyl, preferably C 2 -C 4 alkynyl;
- С3-С6 циклоалкила;- C 3 -C 6 cycloalkyl;
- фенила;- phenyl;
- С5-С7 гетероарила.- C 5 -C 7 heteroaryl.
В случае этого предпочтительного варианта выполнения электролита на основе SO2 понятие ''C1-С6 алкил'' означает 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. Из них предпочтительны С2-С4 алкилы. Особенно предпочтительны С2-С4 алкилы, 2-пропил, метил и этил.In the case of this preferred embodiment of the electrolyte based on SO 2 , the term "C 1 -C 6 alkyl" means 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. Of these, C 2 -C 4 alkyls are preferred. Especially preferred are C 2 -C 4 alkyl, 2-propyl, methyl and ethyl.
В случае предпочтительного варианта выполнения электролита на основе SO2 понятие ''С2-С6 алкенил'' означает 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 С2-С4 алкенилы являются предпочтительными. Особенно предпочтительны этенил и 1-пропенил.In the case of a preferred embodiment of the electrolyte based on SO 2 , the term "C 2 -C 6 alkenyl" means unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to six carbon atoms, while these hydrocarbon groups have at least one C double bond -FROM. 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. Especially preferred are ethenyl and 1-propenyl.
В случае этого предпочтительного варианта выполнения электролита на основе SO2 понятие ''С2-С6 алкинил'' означает 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-бутинил, изобутинил, 1-пентинил и 1-гексинил. Из них предпочтительны С2-С4 алкинилы.In the case of this preferred embodiment of the electrolyte based on SO 2 , the term "C 2 -C 6 alkynyl" means unsaturated linear or branched hydrocarbon groups containing from two to six carbon atoms, while these hydrocarbon groups have at least one triple bond S-S. These include, in particular, ethynyl, 1-propynyl, 2-propynyl, 1-n-butynyl, 2-n-butynyl, isobutynyl, 1-pentynyl and 1-hexynyl. Of these, C 2 -C 4 alkynyls are preferred.
В случае этого предпочтительного варианта выполнения электролита на основе SO2 понятие ''С3-С6 циклоалкил'' означает 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 electrolyte based on SO 2 the term "C 3 -C 6 cycloalkyl" means 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 выполнения электролита на основе SO2 понятие ''С5-С7 гетероарил'' означает фенил и нафтил.In the case of this preferred embodiment of the electrolyte based on SO 2 the term "C 5 -C 7 heteroaryl" means phenyl and naphthyl.
В целях увеличения растворимости первой проводящей соли в электролите на основе SO2 заместители R1, R2, R3, R4 являются замещенными в другом предпочтительном 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 С1-С4 алкила, С2-С4 алкенила, С2-С4 алкинила, фенила и бензила. Химические группы С1-С4 алкил, С2-С4 алкенил, С2-С4 алкинил, фенил, и бензил обладают теми 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 заменены атомом фтора и/или 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 preferred 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, C 2 -C 4 alkynyl, phenyl and benzyl. The chemical groups C 1 -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 substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are replaced by a fluorine atom and/or a chemical group.
Особенно большая растворимость первой проводящей соли в электролите на основе SO2 может достигаться в том случае, когда, по меньшей мере, один из заместителей R1, R2, R3, R4 является группой CF3 или группой OSO2CF3.Particularly high solubility of the first conductive salt in the SO 2 -based electrolyte can be achieved when at least one of the substituents R 1 , R 2 , R 3 , R 4 is a CF 3 group or an OSO 2 CF 3 group.
В другом предпочтительном варианте развития элемента аккумуляторной батареи первая проводящая соль выбирается из группы, состоящей из:In another preferred development of the battery cell, the first conductive salt is selected from the group consisting of:
Для приведения электропроводности и/или других свойств электролита в соответствие с требуемым показателем электролит содержит, согласно предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи по изобретению, по меньшей мере, одну вторую проводящую соль, 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, 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 другом предпочтительном варианте выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению вторая проводящая соль, является соединением щелочного металла, в частности, соединением лития. Соединение щелочного металла или лития выбирается из группы, состоящей из алюмината, галогенида, оксалата, бората, фосфата, арсената и галлата. Предпочтительно второй проводящей солью является тетрагалогеналюминат лития, в частности, LiAICL4.In another 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 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 LiAICL 4 .
Кроме того, согласно другому предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи по 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 ат, 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 preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the electrolyte contains at least one additive. 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, 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 предпочтительном варианте развития элемента аккумуляторной батареи электролит имеет следующий состав в соотнесении к общему весу электролита:In a preferred embodiment of a battery cell, the electrolyte has the following composition, based on 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 проводящей соли,(ii) 0.6 - 95% by weight of the first conductive salt,
(iii) 0 - 25 вес.% второй проводящей соли,(iii) 0 - 25% by weight of the second conductive salt,
(iv) 0 - 10 вес.% добавки.(iv) 0-10 wt% additive.
Как уже упоминалось выше, в электролите могут находиться 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, 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 can be present in the electrolyte. 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.
Согласно другому предпочтительному варианту 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, при этом предпочтительный верхний предел может составлять 2600 моль SO2 на одну моль проводящей 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 содержащимся в электролите проводящим солям. 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. В рамках изобретения неожиданно установили, 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 another preferred embodiment of the battery cell according to the invention, it is provided 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 moles SO 2 per mole of conductive salt, with the upper limits being preferred in this order: 1500, 1000, 500 and 100 moles SO 2 per 1 mole of conductive salt. The term "per mole of conductive salt" refers here to all the 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. Surprisingly, it has been found within the scope of the invention that an electrolyte with a relatively low concentration of conductive salt, despite the increased vapor pressure associated therewith, is preferred, in particular because of 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 intended use of a battery cell with such an electrolyte.
Общее содержание SO2 и первой проводящей соли может составлять 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.%.The total content of SO 2 and the first conductive salt may be more than 50 wt.% of the 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.%.
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 electrolyte may contain at least 5 wt.% SO 2 from the total amount of electrolyte contained in the battery cell, with 20 wt.%, 40 wt.% being preferred. and 60 wt.% SO 2 . The electrolyte may also contain up to 95 wt.% SO 2 , with the maximum values of 80 wt.% and 90 wt.% SO 2 being preferred in this range.
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, 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. Вследствие присутствия лишь незначительной доли органических растворителей или даже их полного отсутствия электролит является либо слабо горючим, либо не горючим. Это повышает эксплуатационную надежность элемента аккумуляторной батареи, в котором применяется такой электролит на основе SO2. Особо предпочтителен электролит на основе SO2, не содержащий по существу органических растворителей.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, for example in the form of a single solvent or a mixture of several solvents, may not exceed 50% by weight of the electrolyte. Particularly preferred are smaller proportions of at most 40 wt%, at most 30 wt%, at most 20 wt%, at most 15 wt%, at most 10 wt%, at most 5 wt%, or at most 1 wt.% of the 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 non-flammable. This improves the serviceability of a battery cell using such an SO 2 -based electrolyte. Particularly preferred is an SO 2 based electrolyte containing substantially no organic solvents.
Согласно предпочтительному варианту развития элемента аккумуляторной батареи электролит, в соотнесении к его общему весу, имеет следующий состав:According to a preferred development of the battery cell, the electrolyte, in relation to 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% by weight of the first conductive salt,
(iii) 0 - 25 вес.% второй проводящей соли,(iii) 0 - 25% by weight of the second conductive salt,
(iv) 0 - 10 вес.% добавки,(iv) 0-10 wt.% additive,
(v) 0 - 50 вес.% органического растворителя. Положительный электрод.(v) 0-50 wt% organic solvent. positive electrode.
Ниже описаны предпочтительные варианты развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению применительно к положительному электроду.The preferred embodiments of the battery cell according to the invention in relation to the positive electrode are described below.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что положительный электрод может заряжаться, по меньшей мере, до верхнего потенциала 4,0 В, предпочтительно, по меньшей мере, до потенциала 4,4 В, предпочтительно, по меньшей мере, до потенциала 4,8 В, предпочтительно, по меньшей мере, до 5,2 В, предпочтительно, по меньшей мере, до потенциала 5,56 В, особо предпочтительно, по меньшей мере, до потенциала 6,0 В.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the positive electrode can be charged to at least an upper potential of 4.0 V, preferably to at least a potential of 4.4 V, preferably to at least a potential of 4.8 V, preferably at least up to 5.2 V, preferably at least up to a potential of 5.56 V, particularly preferably at least up to a potential of 6.0 V.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи положительный электрод содержит, по меньшей мере один активный материал. Этот материал может накапливать ионы активного металла и при эксплуатации элемента аккумуляторной батареи отдавать и снова поглощать ионы активного металла.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains at least one active material. This material can accumulate active metal ions and give off and reabsorb active metal ions during the operation of the battery cell.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батарее положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно интеркалярное соединение. Под понятием ''интеркалярное соединение'' подразумевается в смысле настоящего изобретения подгруппа ранее описанных материалов внедрения. Такое интеркалярное соединение действует как основная матрица с вакансиями, связанными между собой. В эти вакансии могут диффундировать ионы активного металла в процессе разрядки элемента аккумуляторной батареи и оставаться внедренными. В рамках такого внедрения ионов активного металла в основной матрице происходят лишь незначительные или вообще не происходят структурные изменения.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains at least one intercalary compound. The term ''intercalary compound'' refers in the sense of the present invention to a subset of the previously described intercalation materials. Such an intercalary compound acts as a host matrix with vacancies linked together. Active metal ions can diffuse into these vacancies during the discharge of the battery cell and remain embedded. As part of this introduction of active metal ions, only minor or no structural changes occur in the main matrix.
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи положительный электрод содержит в качестве активного материала, 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 элемента аккумуляторной батареи разрушаются и вновь создаются химические связи. Во время поглощения или отдачи ионов активного металла в матрице способного к превращению соединения происходят структурные изменения.According to another preferred development of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains at least one convertible compound as active material. The term "transformable compound" is understood in the sense of the present invention to be materials which, during electrochemical activity, form other materials, i.e. During the charging and discharging of a battery cell, chemical bonds are broken and re-formed. During absorption or release of active metal ions, structural changes occur in the matrix of the convertible compound.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи активный материал имеет состав LixM'yM''zOa, в котором означают:According to a preferred development of the battery cell according to the invention, the active material has the composition Li x M' y M'' z O a , which means:
- 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 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16- M'' at least one element selected from the group consisting of elements of
Периодической системы элементов;Periodic system of elements;
- x и y независимо друг от друга, числа более 0;- x and 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 number greater than 0.
Индексы y, z в составе LixM'yM''zOa относятся к совокупности металлов и элементов, обозначаемых посредством M'yM''. Если, например, M' означает два металла M'1 и M'2, то будет действительно для индекса y: y=y1+y2, при этом y1 и y2 являются индексами металлов M'1 и M'2. Индексы x, y, z, a должны выбираться так, чтобы в составе обеспечивалась нейтральность заряда. Примерами соединений, в которых M' означает два металла, являются оксиды лития-никеля- марганца-кобальта состава LixNiy1Mny2CozO2, где M'1=Ni, M'2=Mn и M''=Co.Indices y, z in the composition Li x M' y M'' z O a refer to the totality of metals and elements, denoted by M' y M''. If, for example, M' means two metals M' 1 and M' 2 , then it will be valid for the index y: y=y1+y2, while y1 and y2 are the indices of the metals M' 1 and M' 2 . Indices x, y, z, a must be chosen so that the charge neutrality is ensured in the composition. Examples of compounds in which M' means two metals are oxides of lithium-nickel-manganese-cobalt composition Li x Ni y1 Mn y2 Co z O 2 where M' 1 =Ni, M' 2 =Mn and M''=Co .
Примерами соединений, в которых z=0, которые следовательно не содержат другой металл или элемент М'', являются оксиды лития-кобальта LixCoyOa. Если, например, М'' включает в себя два элемента, во-первых, металл в виде М''1 и, во-вторых, фосфор в виде М''2, то будет действительно для индекса z: z=z1+z2, причем z1 и z2 являются индексами металла М''1 и фосфора (М''2). Индексы x, у, z, а должны и в этом случае выбираться так, чтобы внутри состава достигалась нейтральность заряда. Примерами соединений, у которых означают М'' - металл М''1 и фосфор в виде М''2, являются фосфаты лития-железа-марганца LixFeyMnz1Pz2O4, где M'=Fe, М''1=Mn, М''2=Р и z2=1. В другом составе М'' может включать в себя два неметалла, например, фтор в виде М''1 и серу в виде М''2. Примерами таких соединений служат сульфаты лития-железа-фтора LixFeyFz1Sz2O4, где M'=Fe, M''1=F, М''2=Р.Examples of compounds in which z=0, which therefore do not contain another metal or element M'', are oxides of lithium-cobalt Li x Co y O a . If, for example, M'' includes two elements, firstly a metal in the form of M''1 and, secondly, phosphorus in the form of M'' 2 , then it will be valid for the index z: z=z1+z2 , and z1 and z2 are indices of metal M'' 1 and phosphorus (M'' 2 ). Indices x, y, z, and in this case should be chosen so that charge neutrality is achieved within the composition. Examples of compounds in which M'' - metal M'' 1 and phosphorus in the form of M'' 2 are lithium-iron-manganese phosphates Li x Fe y Mn z1 P z2 O 4 , where M'=Fe, M'' 1 =Mn, M'' 2 =P and z2=1. In another composition, M'' may include two non-metals, for example, fluorine as M'' 1 and sulfur as M'' 2 . Examples of such compounds are sulfates of lithium-iron-fluorine Li x Fe y F z1 S z2 O 4 , where M'=Fe, M'' 1 =F, M'' 2 =P.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного по изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что M' означает металлы никель и марганец, М'' означает кобальт. При этом имеются в виду составы формулы LixNiy1 Mny2CozO2 (НМК), т.е. оксиды лития-никеля-марганца-кобальта, обладающие структурой слоистых оксидов. Примерами таких активных материалов из оксида лития-никеля-марганца-кобальта являются LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (НМК111), LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 (НМК622) и LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (НМК811). Другие соединения из оксида лития-никеля-марганца-кобальта могут иметь состав LiNi0,5Mn10,3Co0,2O2, LiNi0,5Mn0,25Co0,25O2, LiNi0,52Mn0,32Co0,16O2, LiNi0,55Mn0,30Co0,15O2, LiNi0,58Mn0,14Co0,28O2, LiNi0,64Mn0,18Co0,18O2, LiNi0,65Mn0,27Co0,08O2, LiNi0,7Mn0,2Co0,1O2, LiNi0,7Mn0,15Co0,15O2, LiNi0,72Mn0,10Co0,18O2, LiNi0,76Mn0,14Co0,10O2, LiNi0,86Mn0,04Co0,10O2, LiNi0,90Mn0,05Co0,05O2, LiNi0,95Mn0,025Co0,025O2 или их комбинация.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that M' denotes the metals nickel and manganese, M'' denotes cobalt. In this case, we mean the compositions of the formula Li x Ni y1 Mn y2 Co z O 2 (NMC), i.e. oxides of lithium-nickel-manganese-cobalt having the structure of layered oxides. Examples of such active materials from lithium-nickel-manganese-cobalt oxide are LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMK111), LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 (NMK622) and LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (НМК811). Other lithium-nickel-manganese-cobalt oxide compounds may have the composition LiNi 0.5 Mn 10.3 Co 0.2 O 2 , LiNi 0.5 Mn 0.25 Co 0.25 O 2 , LiNi 0.52 Mn 0 ,32 Co 0.16 O 2 , LiNi 0.55 Mn 0.30 Co 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 O 2 , LiNi 0.72 Mn 0.10 Co 0.18 O 2 , LiNi 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 a combination thereof.
Из этих соединений могут быть изготовлены положительные электроды для элементов аккумуляторной батареи с напряжением элемента свыше 4,6 В.These compounds can be used to make positive electrodes for battery cells with cell voltages above 4.6 V.
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что активным материалом является богатый содержанием лития и марганца оксид металла. Такие материалы описываются следующими формулами: LixMnyM''zOa. М' в приведенной выше формуле LixM'yM''zOa означает металл марганец (Mn). Здесь индекс x означает число, которое больше или равно 1, индекс у означает число, которое больше индекса z или больше суммы индексов z1+z2+z3 и т.д.According to another preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the active material is a metal oxide rich in lithium and manganese. Such materials are described by the following formulas: Li x Mn y M'' z O a . M' in the above formula Li x M' y M'' z O a means the metal manganese (Mn). Here, index x means a number that is greater than or equal to 1, index y means a number that is greater than index z or greater than the sum of indices z1+z2+z3, and so on.
Если, например, М'' означает два металла М''1 и М''2 с индексами z1 и z2 (например, Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2, где М''1=Ni, z1=0,175 и М''2=Со, z2=0,1), то будет действительно для индекса у: y>z1+z2. Индекс z является числом, которое больше или равно 0, индекс а является числом, которое больше 0. Индексы x, у, z, а должны выбираться так, чтобы внутри состава достигалась нейтральность заряда. Оксиды металлов, богатые содержанием лития и марганца, могут быть также описаны формулой mLi2MnO3⋅(1-m)LiM'O2, где 0<m<1. Примерами таких соединений служат Li1.2Mn0.525Ni0.175Co0.1O2, Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 или Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2.If, for example, M'' means 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. 1O 2 , where M'' 1 =Ni, z1=0.175 and M'' 2 =Co, z2=0.1), then it will be valid for index y: y>z1+z2. The index z is a number that is greater than or equal to 0, the index a is a number that is greater than 0. The indices x, y, z, a must be chosen so that charge neutrality is achieved within the composition. Metal oxides rich in lithium and manganese can also be described by the formula mLi 2 MnO 3 ⋅(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 предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что состав имеет формулу LixM'yM''zO4. Эти соединения имеют структуру шпинели. Например, означают: М' - кобальт, М'' - марганец. В этом случае активным материалом выступает оксид лития-кобальта-марганца (LiCoMnO4). Из LiCoMnO4 могут изготавливаться положительные электроды для выполненных согласно изобретению элементов аккумуляторной батареи с напряжением элемента свыше 4,6 В. В этом LiCoMnO4 предпочтительно не содержится Mn3+. В другом примере могут означать: М' - никель, М'' - марганец. В этом случае активным материалом выступает оксид лития-никеля-марганца (LiNiMnO4). Молярные доли обоих металлов М' и М'' могут варьироваться. Так, например, оксид лития-никеля-марганца может иметь состав: LiNi0,5Mn1,5O4.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the composition has the formula Li x M' y M'' z O 4 . These compounds have a spinel structure. For example, they mean: M' - cobalt, M'' - manganese. In this case, the active material is lithium-cobalt-manganese oxide (LiCoMnO 4 ). LiCoMnO 4 can be used to produce positive electrodes for battery cells according to the invention with cell voltages above 4.6 V. This LiCoMnO 4 preferably does not contain Mn 3+ . In another example, they can mean: M' - nickel, M'' - manganese. In this case, the active material is lithium-nickel-manganese oxide (LiNiMnO 4 ). The mole fractions of both metals M' and M'' may vary. For example, lithium-nickel-manganese oxide may have the composition: LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи положительный электрод содержит в качестве активного материала, по меньшей мере, один активный материал в виде способного к превращению соединения. Во время поглощения активного металла, например, лития или натрия, способные к превращению соединения участвуют в твердотельной окислительно-восстановительной реакции, в ходе которой изменяется кристаллическая структура материала. Это сопровождается разрушением и рекомбинацией химических связей. Полностью обратимые реакции способных к превращению соединений могут быть записаны, например, следующим образом:According to another preferred development of the battery cell according to the invention, the positive electrode contains as active material at least one active material in the form of a convertible compound. During absorption of an active metal, such as lithium or sodium, the convertible compounds participate in a solid-state redox reaction, during which the crystal structure of the material changes. This is accompanied by the destruction and recombination of chemical bonds. Completely reversible reactions of convertible compounds can be written, for example, as follows:
тип А: MXz ↔ +у Li М+z Li(y/z)Xtype A: MXz ↔ +y Li M+z Li (y/z) X
тип В: X ↔ +у Li LiyX.type B: X ↔ +y Li Li y X.
Примерами способных к превращению соединений являются: FeF2, FeFβ, CoF2, CuF2, NiF2, BiF3, FeCl3, FeCl2, CoCl2, NiCl2, CuCl2, AgCl, LiCl, S, Li2S, Se, Li2Se, Те, I и Lil.Examples of convertible compounds are: FeF 2 , FeF β , 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 Lil.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи соединение имеет состав LixM'yM''1 z1M''2 z2O4, в котором М''2 означает фосфор, z2 равно 1. Соединение состава LixM'yM''1 z1M''2 z2O4 представляет собой металлические фосфаты лития. В частности, это соединение имеет состав LixFeyMnzPz2O4.Примерами металлических фосфатов лития служат фосфат лития-железа (LiFePO4) или фосфаты лития-железа-марганца (Li(FeyMnz)PO4). Примером фосфата лития-железа-марганца является фосфат состава Li(Fe0,3Mn0,7)PO4. Также металлические фосфаты лития других составов применимы в выполненном согласно изобретению элементе аккумуляторной батареи.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, the compound has the composition Li x M' y M'' 1 z1 M'' 2 z2 O 4 , where M'' 2 is phosphorus, z2 is 1. The compound has the composition Li x M' y M'' 1 z1 M'' 2 z2 O 4 are lithium metal phosphates. In particular, this compound has the composition Li x Fe y Mn z 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 Li(Fe 0.3 Mn 0.7 )PO 4 phosphate. Also, lithium metal phosphates of other compositions are applicable in the battery cell according to the invention.
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи 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 служит переходный металл с порядковым номером от 22 до 28 Периодической системы элементов, в частности, кобальт, никель, марганец или железо.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. 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, manganese or iron.
Согласно другому предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что положительный электрод содержит, по меньшей мере, одно соединение металла, имеющее химическую структуру шпинели, слоистого оксида, способного к превращению соединения или полианионного соединения.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.
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.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.
Согласно предпочтительному варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи предусмотрено, что положительный электрод содержит разрядный элемент. Это означает, что в положительном электроде помимо активного материала содержится также разрядный элемент. Этот разрядный элемент предназначен для того, чтобы можно было обеспечить необходимое проводящее электроны подключение активного материала положительного электрода. Для этого разрядный элемент контактирует с активным материалом, участвующим в реакции на положительном электроде.According to a preferred development of the battery cell according to the invention, it is provided that the positive electrode comprises a discharge cell. This means that in addition to the active material, the positive electrode also contains a discharge element. This discharge element is designed to be able to provide the necessary electron-conducting connection of the active material of the positive electrode. To do this, the discharge element is in contact with the active material involved in the reaction at the positive electrode.
Данный разрядный элемент выполнен плоским в виде тонкого металлического листа или тонкой металлической фольги. Предпочтительно тонкая металлическая фольга имеет дырчатую или сетчатую структуру. Плоский разрядный 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 наносится предпочтительно на поверхность тонкого металлического листа, тонкой металлической фольги или полимерной пленки с металлическом покрытием. Нанесение активного материала может производиться на лицевую и/или оборотную сторону плоского разрядного элемента. Подобные плоские разрядные элементы имеют толщину в диапазоне от 5 до 50 мкм. Предпочтительно толщина плоского разрядного элемента составляет от 10 до 30 мкм. При использовании плоских разрядных элементов общая толщина положительного 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. Поверхностно-удельная емкость положительного электрода, отнесенная к покрытию на одной стороне, составляет при использовании плоского разрядного элемента преимущественно, по меньшей мере, 0,5 мА.ч/см2, причем в этой последовательности предпочтительными являются следующие показатели: 1 мА.ч/см2, 3 мА.ч/см2, 5 мА.ч/см2, 10 мА.ч/см2, 15 мА.ч/см2, 20 мА.ч/см2.This bit 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 discharge element may also consist of a metal-coated polymer 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 discharge element. Such flat discharge elements have a thickness in the range from 5 to 50 μm. Preferably, the thickness of the flat discharge element is 10 to 30 µm. When using flat discharge elements, 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 mA.h/cm 2 when using a flat discharge element, with the following values being preferred in this order: 1 mA.h/ 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 разрядный элемент положительного электрода может быть выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены. Трехмерная пористая металлическая структура настолько пориста, что активный материал положительного электрода может внедряться в поры металлической структуры. Количеством внедрившегося или нанесенного активного материала определяется заряд положительного электрода. Если разрядный элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, тогда толщина положительного электрода составит предпочтительно, по меньшей мере, 0,2 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,4 мм, предпочтительно, по меньшей мере, 0,5 мм, особо предпочтительно, по меньшей мере, 0,6 мм.In addition, there is the possibility that the positive electrode discharge element can be made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam. The three-dimensional porous metal structure is so porous that the positive electrode active material can be embedded in the pores of the metal structure. The amount of active material incorporated or deposited determines the charge on the positive electrode. 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 positive electrode is 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.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения предусмотрено, что поверхностно-удельная емкость положительного электрода составляет при использовании трехмерного разрядного элемента, в частности, в виде металлической пены, предпочтительно, по меньшей мере, 2,5 мА.ч/см2, причем в этой последовательности предпочтительны следующие показатели: 5 мА.ч/см2, 15 мА.ч/см2, 25 мА.ч/см2, 35 мА.ч/см2, 45 мА.ч/см2, 55 мА.ч/см2, 65 мА.ч/см2, 75 мА.ч/см2. Если разрядный элемент выполнен трехмерным в виде пористой металлической структуры, в частности, в виде металлической пены, то количество активного материала положительного 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 положительного электрода благоприятно сказывается на процессе зарядки и разрядки элемента аккумуляторной батареи.According to another preferred embodiment, it is provided that the surface specific capacity of the positive electrode, when using a three-dimensional discharge element, in particular in the form of a metal foam, is preferably at least 2.5 mA.h/cm 2 , and in this sequence, we prefer the following 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 made three-dimensional in the form of a porous metal structure, in particular in the form of a metal foam, then the amount of positive electrode active material, 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 charge of the positive electrode favorably affects the process of charging and discharging the battery cell.
Согласно другому варианту развития выполненного согласно изобретению элемента аккумуляторной батареи положительный электрод содержит, по меньшей 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 комбинации. Также связующее может состоять из полимера на основе мономерных структурных звеньев стирола и бутадиена. Кроме того связующее может происходить из группы карбоксиметилцеллюлоз. Связующее присутствует в положительном электроде преимущественно 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. Структура элемента аккумуляторной батареи.According to another development of the battery cell according to the invention, the positive 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 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 mainly at a concentration 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 positive electrode. The structure of the battery cell.
Ниже приводятся предпочтительные варианты развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению применительно к его структуре.Below are the preferred developments of the battery cell according to the invention in relation to its structure.
Для дальнейшего усовершенствования функции элемента аккумуляторной батареи другим предпочтительным вариантом развития элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению предусмотрено, что этот элемент содержит множество отрицательных и несколько положительных электродов, которые попеременно уложены в стопку внутри корпуса. При этом положительные и отрицательные электроды электрически разделены между собой сепараторами.To further improve the function of the battery cell, another preferred development of the battery cell according to the invention provides that the cell contains a plurality of negative and a plurality of positive electrodes which are alternately stacked within a housing. In this case, the positive and negative electrodes are electrically separated from each other by separators.
Сепаратор может состоять из нетканого материала, мембраны, тканого материала, трикотажного материала, органического материала, неорганического материала или их комбинации. Органические сепараторы могут быть выполнены из незамещенных полиолефинов (например, полипропилена или полиэтилена), частично или полностью галогензамещенных полиолефинов (например, частично или полностью фторзамещенных, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), этилентетрафторэтилена (ЭТФЭ), политетрафторэтилена (ПТФЭ)), сложных полиэфиров, полиамидов или полисульфонов. Сепараторами, содержащими комбинацию из органических и неорганических материалов, являются, например, текстильные материалы из стекловолокон, у которых стекловолокна имеют соответствующее полимерное покрытие. Покрытие содержит предпочтительно фторсодержащий полимер, например, политетрафторэтилен (ПТФЭ), этилентетрафторэтилен (ЭТФЭ), перфторэтилен-пропилен (ФЭП), тройной сополимер из тетрафторэтилена, гексафторэтилена и винилиденфторида (ТГВ), перфторалкоксиполимер (ПФА), аминосилан, полипропилен или полиэтилен (ПЭ). Сепаратор может быть сложен в корпусе элемента аккумуляторной батареи, например, в виде так называемой ''Z-образной складки''. При такой Z-образной складке полосовой сепаратор загибается Z-образно через электроды или вокруг них. Также сепаратор может быть выполнен в виде разделительной бумаги.The separator may be comprised 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 from unsubstituted polyolefins (for example, polypropylene or polyethylene), partially or completely halogenated polyolefins (for example, partially or completely fluorine-substituted, in particular polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylenetetrafluoroethylene (ETFE), polytetrafluoroethylene (PTFE)), polyesters , polyamides or polysulfones. Separators containing a combination of organic and inorganic materials are, for example, textile materials made of glass fibers, in which the glass fibers have a corresponding polymer coating. The coating preferably contains a fluorine-containing polymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylenetetrafluoroethylene (ETFE), perfluoroethylene-propylene (FEP), a terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene and vinylidene fluoride (THF), perfluoroalkoxypolymer (PFA), aminosilane, polypropylene or polyethylene (PE) . The separator may be folded into the battery cell housing, for example in a so-called ''Z-fold''. With such a Z-fold, the strip separator is folded in a Z-shape through or around the electrodes. Also, the separator can be made in the form of separating paper.
В рамках изобретения сепаратор может быть выполнен в виде оболочки, при этом ею закрыт каждый положительный и отрицательный электрод. Оболочка может состоять из нетканого материала, мембраны, ткани, трикотажа, органического материала, неорганического материала или их комбинации.Within the framework of the invention, the separator can be made in the form of a shell, while each positive and negative electrode is covered with it. The shell may consist of a nonwoven material, a membrane, a fabric, a knitted fabric, an organic material, an inorganic material, or a combination 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 возможная зарядка отрицательного электрода с активным материалом и следовательно полезная емкость элемента аккумуляторной батареи. Одновременно исключаются риски, которые могут быть связаны с неравномерной зарядкой и результирующим отсюда осаждением 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 possible charging of 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 precipitation 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, чтобы наружные размеры оболочки и наружные размеры не закрытых электродов совпали, по меньшей мере, по одному размеру.The dimensions of the surface of the electrodes and the shell can be coordinated with each other so that the outer dimensions of the shell and the outer dimensions of the uncovered electrodes coincide, at least in 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 по 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 along the edge of the positive electrode by an edge bond.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению отрицательные электроды имеют оболочку, а у положительных электродов она отсутствует.According to another preferred embodiment of the battery cell according to the invention, the negative electrodes are sheathed, while the positive electrodes are not.
Другие оптимальные свойства изобретения подробнее описаны и объяснены ниже со ссылкой на чертежи, примеры и эксперименты:Other optimal features of the invention are described and explained in more detail below with reference to the drawings, examples and experiments:
фиг. 1 показывает первый пример выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном сечении;fig. 1 shows a first example of a battery cell according to the invention in cross section;
фиг. 2 показывает полученный с помощью электронного микроскопа снимок трехмерной пористой структуры металлической пены согласно первому примеру выполнения на фиг. 1 в виде детального изображения;fig. 2 shows an electron microscope image of a three-dimensional pore structure of a metal foam according to the first embodiment in FIG. 1 as a detailed view;
фиг. 3 показывает второй пример выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном сечении;fig. 3 shows a second example of a battery cell according to the invention in cross section;
фиг. 4 показывает деталь второго примера выполнения на фиг. 3;fig. 4 shows a detail of the second embodiment in FIG. 3;
фиг. 5 показывает третий пример выполнения элемента аккумуляторной батареи согласно изобретению в разобранном виде;fig. 5 shows a third exemplary embodiment of a battery cell according to the invention, exploded;
фиг. 6 показывает кривую потенциала (в Вольтах) во время двух циклов зарядки/разрядки, как функцию зарядки в процентах испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, причем ток зарядки и разрядки составляет 0,1 мА/см2;fig. 6 shows a curve of potential (in Volts) during two charge/discharge cycles as a function of the percent charge of a test whole battery cell with lithium metal as the negative electrode active material, with a charge and discharge current of 0.1 mA/cm 2 ;
фиг. 7 показывает кривую потенциала (в Вольтах) во время двух циклов зарядки/разрядки, как функцию зарядки в процентах испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, причем до обоих циклов зарядки / разрядки проводился инициализирующий цикл, ток зарядки / разрядки составлял 0,1 мА/см2;fig. 7 shows the curve of the potential (in Volts) during two charge/discharge cycles as a function of the percentage charge of the tested whole battery cell with lithium metal as the active material of the negative electrode, with an initialization cycle being carried out before both charge/discharge cycles, the charge current / discharge was 0.1 mA/cm 2 ;
фиг. 8 показывает кривую потенциала (в Вольтах) во время двух циклов зарядки/разрядки, как функцию зарядки в процентах испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, причем снаружи было приложено давление на аккумуляторный элемент, до обоих циклов зарядки / разрядки проводился инициализирующий цикл, ток зарядки / разрядки составлял 0,1 мА/см2;fig. 8 shows the curve of the potential (in Volts) during two charge/discharge cycles as a function of the percentage charge of the tested whole battery cell with lithium metal as the negative electrode active material, with external pressure applied to the battery cell, prior to both charge cycles / discharging, an initializing cycle was performed, the charging/discharging current was 0.1 mA/cm 2 ;
фиг. 9 показывает отрицательный электрод, полученный после разборки второго испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи в эксперименте 1;fig. 9 shows the negative electrode obtained after disassembling the second test whole battery cell in
фиг. 10 показывает кривую потенциала (в Вольтах) во время двух циклов зарядки/разрядки, как функцию зарядки в процентах испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, причем до обоих циклов зарядки / разрядки проводился инициализирующий цикл, ток зарядки / разрядки составлял 0,5 мА/см2;fig. 10 shows the curve of the potential (in Volts) during two charge/discharge cycles as a function of the percentage charge of the tested whole battery cell with lithium metal as the active material of the negative electrode, with an initialization cycle being carried out before both charge/discharge cycles, the charge current / discharge was 0.5 mA/cm 2 ;
фиг. 11 показывает кривую потенциала (в Вольтах) во время двух циклов зарядки/разрядки, как функцию зарядки в процентах испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, причем до обоих циклов зарядки / разрядки проводился инициализирующий цикл, ток зарядки / разрядки составлял 1,0 мА/см2;fig. 11 shows the curve of the potential (in Volts) during two charge/discharge cycles as a function of the percentage charge of the tested whole battery cell with lithium metal as the active material of the negative electrode, with an initialization cycle being carried out before both charge/discharge cycles, the charge current / discharge was 1.0 mA/cm 2 ;
фиг. 12 показывает эффективность цикла в %, как функцию числа циклов, проводившихся с испытуемым целым элементом аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, при этом ток зарядки / разрядки составлял 1,0 мА/см2;fig. 12 shows the cycle efficiency in % as a function of the number of cycles carried out with the test whole battery cell with lithium metal as the negative electrode active material, while the charge/discharge current was 1.0 mA/cm 2 ;
фиг. 13 показывает эффективность цикла в %, как функцию числа циклов, проводившихся с тремя испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи с металлическим литием в качестве активного материала отрицательного электрода, при этом два испытуемых целых элемента аккумуляторной батареи содержали электролит 1, один испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи содержал контрольный электролит;fig. 13 shows the cycle efficiency in % as a function of the number of cycles conducted with three test whole battery cells with lithium metal as the negative electrode active material, two test whole battery
фиг. 14 показывает электропроводность в мС/см электролита 1 в зависимости от концентрации соединения 1;fig. 14 shows the electrical conductivity in mS/cm of
фиг. 15 показывает электропроводность в мС/см электролита 3 в зависимости от концентрации соединения 3;fig. 15 shows the electrical conductivity in mS/cm of
фиг. 16 показывает электропроводность в мС/см электролита 4 в зависимости от концентрации соединения 4.fig. 16 shows the electrical conductivity in mS/cm of
На фиг. 1 представлен первый пример выполнения элемента 2 аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном сечении. Элемент 2 аккумуляторной батареи выполнен в виде призматической фигуры и содержит в числе прочего корпус 1. Этим корпусом 1 охватывается электродное устройство 3, состоящее из трех положительных электродов 4 и четырех отрицательных электродов 5. Положительные 4 и отрицательные 5 электроды расположены в электродном устройстве 3 в виде стопки, чередуясь в ней. 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 аккумуляторной 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. Этим интеркалярным соединением служит LiCoMnO4 со структурой шпинели.In FIG. 1 shows a first example of a
В данном примере выполнения электроды 4, 5 выполнены плоскими, т.е. в виде слоев толщиной, которая незначительна по сравнению с их поверхностной протяженностью. Соответственно они разделены между собой сепараторами 11. Корпус 1 элемента 2 аккумуляторной батареи выполнен по существу прямоугольной формы, причем электроды 4, 5 и показанные в сечении стенки корпуса 1 расположены перпендикулярно плоскости чертежа и выполнены преимущественно прямыми и ровными. Однако элемент 2 аккумуляторной батареи может быть также выполнен витым, у которого электроды состоят из тонких слоев, которые намотаны вместе с материалом сепаратора. 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 активные в электрохимическом отношении поверхности, обеспечивающие соответственно большой выход тока.In this exemplary embodiment, the
Кроме того электроды 4, 5 имеют разрядный элемент, предназначенный для обеспечения электронной проводимости подключения активного материала соответствующего электрода. Этот разрядный элемент контактирует с активным материалом, участвующим в реакции на соответствующем электроде 4, 5 (на фиг. 1 не показан). Разрядный 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 ее поры по всей толще структуры металла. Для повышения механической прочности положительные электроды 4 содержат связующее. Под этим связующим подразумевается фторполимер. Отрицательные электроды 5 содержат в качестве активного материала литий.In addition, the
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.In FIG. 2 is an electron microscope image of the 3D porous structure of the
На фиг. 3 приведен второй пример выполнения элемента 20 аккумуляторной батареи согласно изобретению в поперечном сечении. Этот второй пример выполнения отличается от первого на фиг. 1 тем, что электродное устройство содержит один положительный электрод 23 и два отрицательных электрода 22. Соответственно они разделены между собой сепараторами 21 и закрыты корпусом 28. Положительный электрод 23 содержит разрядный элемент 26 в виде плоской металлической фольги, на которую нанесен с обеих сторон активный материал 24 положительного электрода 23. Отрицательные электроды 22 также имеют разрядный элемент 27 в виде плоской металлической фольги, на которую с обеих сторон нанесен активный материал 25 отрицательного электрода 22. В качестве альтернативы плоские разрядные элементы краевых электродов, т.е. электродов, замыкающих электродную стопку, могут иметь только одностороннее покрытие активным материалом. Не покрытая сторона обращена к стенке корпус. Электроды 22, 23 через свои выводы 29, 30 подключены к соответствующим соединительным контактам 31, 32 элемента 20 аккумуляторной батареи.In FIG. 3 shows a second example of a
На фиг. 4 показана плоская металлическая фольга, которая используется в качестве разрядного элемента 26, 27 для положительных электродов 23 и отрицательных электродов 22 во втором примере выполнения на фиг. 3. Эта металлическая фольга имеет дырчатую или сетчатую структуру и толщину 20 мкм.In FIG. 4 shows a flat metal foil which is used as the
На фиг. 5 приведен третий пример выполнения элемента 40 аккумуляторной батареи согласно изобретению в разобранном виде. Этот третий пример выполнения отличается от двух ранее рассмотренных примеров 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.In FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a
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 2 954 588 В1 (ниже V3). Сначала сушили хлорид лития (LiCl) в вакууме при 120°С в течение трех суток. Алюминиевые частицы (AI) сушили в вакууме в течение двух суток при 450°С. LiCl, хлорид алюминия (AlCl3) и AI смешали между собой в мольном соотношении AlCl3 : LiCl : AI=1 : 1,06 : 0,35 в стеклянном сосуде с отверстием для отвода газа. Затем эту смесь постепенно термически обрабатывали до получения солевого расплава. После охлаждения фильтровали образовавшийся солевой расплав, охладили до комнатной температуры и подвели SO2 для достижения требуемого молярного соотношения между SO2 и LiAlCl4. Полученный при этом контрольный электролит имел состав LiAlCl4*×SO2, при этом x 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 invention to the
Пример 2. Приготовление электролита на основе SO2 для элемента аккумуляторной батареи в четырех примерах выполнения 1, 2, 3 и 4.Example 2 Preparation of an SO 2 electrolyte for a battery cell in four
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 приготовили четыре разных первых проводящих соли по формуле (1) с применением способа, описанного в следующих источниках информации [V4], [V5] и [V6]:For the experiments described below, in four
[V4] „I. Krossing, Chem. Eur. J. 2001, 7, 490;[V4] „I. Crossing, Chem. Eur. J. 2001, 7, 490;
[V5] СМ. Иванова и др.., Chem. Eur. J. 2001, 7, 503;[V5] SEE. Ivanova et al., Chem. Eur. J. 2001, 7, 503;
[V6] Tsujioka и др., J. Electrochem. Soc, 2004, 151, A1418''[V6] Tsujioka et al., J. Electrochem. Soc, 2004, 151, A1418''
Эти четыре разных первых проводящих соли формулы (1) обозначены ниже как соединения 1, 2, 3 и 4. Они происходят из группы полифторалкоксиалюминатов и приготовлены по следующему уравнению реакции на основе LiAlH4 и соответствующего спирта R-OH в гексане, гдеThese four different first conductive salts of formula (1) are referred to below as
R1=R2=R3=R4.R 1 \u003d R 2 \u003d R 3 \u003d R 4 .
В результате образовались приведенные ниже соединения 1, 2, 3, 4 с суммарными и структурными формулами:As a result, the following
Для очистки соединения 1, 2, 3, 4 сначала подвергли перекристаллизации. В результате из первой проводящей соли были удалены остатки реагента LiAlH4, поскольку этот реагент вероятно способен вызывать образование искры при взаимодействии с возможно присутствующими следами воды в SO2. Затем последовало растворение соединений 1, 2, 3, 4 в SO2. При этом отмечено, что соединения 1, 2, 3, 4 хорошо растворимы в SO2. Приготовление электролитов 1, 2, 3 и 4 проводилось при низкой температуре или под давлением в соответствии с приведенными ниже технологическими операциями 1 - 4:To purify
1) помещение соответствующего соединения 1, 2, 3, 4 в напорную колбу со стояком,1) placing the
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 целевое количество SO2. 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. С применением электролитов 1, 2, 3, 4 и контрольного электролита проводились описанные ниже эксперименты.4)
Пример 3. Изготовление испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи.Example 3: Manufacture of tested whole battery cells.
Применявшиеся в описанных ниже экспериментах испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи представляли собой элементы аккумуляторной батареи с двумя отрицательными электродами и одним положительным электродом, которые были разделены сепаратором. Положительные электроды содержали активный материал, активатор проводимости и связующее. Активный материал положительного электрода указан в описании соответствующего эксперимента. Отрицательные электроды содержали в качестве активного материала металлический литий, осажденный или уже присутствовавший на разрядном элементе отрицательного электрода. Разрядный элемент положительных и отрицательных электродов состоял из никеля. Испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи были заполнены необходимыми для экспериментов электролитами, т.е. либо контрольным электролитом, либо электролитами 1, 2, 3 или 4.The whole battery cells used in the experiments described below were battery cells with two negative electrodes and one positive electrode, which were separated by a separator. The positive electrodes contained an active material, a conduction activator and a binder. The active material of the positive electrode is specified in the description of the corresponding experiment. The negative electrodes contained as active material lithium metal deposited or already present on the negative electrode discharge element. The discharge element of the positive and negative electrodes consisted of nickel. The tested whole cells of the storage battery were filled with electrolytes necessary for the experiments, i.e. either control electrolyte or
Для каждого эксперимента изготовили несколько, т.е. от 2 до 4, идентичных испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи. Полученные в ходе экспериментов результаты соответственно усреднены на основе замеренных величин для идентичных испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи.Several experiments were made for each experiment, i.e. 2 to 4 identical test whole battery cells. The results obtained during the experiments are respectively averaged on the basis of measured values for identical tested whole cells of the battery.
Пример 4. Измерения испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи.Example 4. Measurements of the tested whole cells of the battery.
Емкость слоя покрытия.Coating capacity.
Емкость, израсходованная на первом цикле на образование слоя покрытия на отрицательном электроде, является важным критерием качества элемента аккумуляторной батареи. Такой покровный слой образуется при первой зарядке испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи на отрицательном электроде. При этом образовании слоя покрытия невосполнимо расходуются ионы лития (емкость покровного слоя), вследствие чего испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи при последующих циклах располагает меньшей участвующей в цикле емкостью. Емкость слоя покрытия в процентах от теоретической, израсходованная на образование слоя покрытия на отрицательном электроде, рассчитывалась по следующей формуле:The capacity consumed in the first cycle for the formation of a coating layer on the negative electrode is an important criterion for the quality of a battery cell. Such a coating layer is formed when the tested whole battery cell is first charged at the negative electrode. In this formation of the coating layer, lithium ions are irreplaceably consumed (capacity of the coating layer), as a result of which the tested whole battery cell has a smaller capacity participating in the cycle in subsequent cycles. The capacitance of the coating layer as a percentage of the theoretical one, spent on the formation of the coating layer on the negative electrode, was calculated using the following formula:
емкость слоя покрытия (% от теоретической)=(QIad (х мА.ч) - Q (у мА.ч) / QNEL.coating layer capacity (% of theory)=(Q Iad (x mAh) - Q (y mAh) / Q NEL .
QNEL означает заданное количество заряда в мА.ч в соответствующем эксперименте; Qent описывает количество заряда в мА.ч, которое было получено при последующей разрядке испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи. QNEL означает теоретическую емкость применяемого отрицательного электрода. Теоретическая емкость составляет, например, в случае с графитом 372 мА.ч/г.Q NEL means the given amount of charge in mAh in the corresponding experiment; Q ent describes the amount of charge, in mAh, that was obtained when the whole battery cell under test was subsequently discharged. Q NEL means the theoretical capacitance of the applied negative electrode. The theoretical capacity is, for example, in the case of graphite 372 mAh/g.
Номинальная емкость определяется путем вычитания емкости слоя покрытия из теоретической емкости положительного электрода (=QIad(x мА.ч)). Разрядная емкость.The nominal capacitance is determined by subtracting the capacitance of the coating layer from the theoretical capacitance of the positive electrode (=Q Iad (x mAh)). discharge capacity.
При измерениях в испытуемых целых элементах аккумуляторной батареи определяли, например, разрядную емкость через число циклов. Для этого испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи заряжали при определенной силе зарядного тока до достижения определенного верхнего потенциала. Соответствующий определенный верхний потенциал поддерживался в течении столь длительного времени, пока зарядный ток не снижался до определенной величины. Затем производилась 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 циклов этот процесс может повторяться.When measuring in the tested whole cells of the battery, for example, the discharge capacity was determined through the number of cycles. To do this, the tested whole cells of the battery were charged at a certain strength of the charging current until a certain upper potential was reached. The corresponding certain upper potential was maintained for such a long time until the charging current decreased to a certain value. Then the discharge was carried out at a certain strength of the discharge current until a certain discharge potential was reached. With this charging method, we are talking about I/U (current / voltage) charging. Depending on the required number of cycles, this process may be repeated.
Верхние потенциалы или разрядный потенциал и соответствующая сила тока при зарядке или разрядке указаны в описании экспериментов. Показатель, до которого должен снизиться зарядный ток, также указан в описании экспериментов.The upper potentials or discharge potential and the corresponding current during charging or discharging are indicated in the description of the experiments. The indicator to which the charging current should decrease is also indicated in the description of the experiments.
Понятие «верхний потенциал» применяется 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", "final charging 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 проводится при норме тока С/2 и температуре 22°С. При скорости зарядки или разрядки 1С номинальная емкость элемента аккумуляторной батареи 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 элемента аккумуляторной батареи». 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.
Разрядная емкость выводится из разрядного тока и времени, необходимого для выполнения критериев окончания разрядки. На соответствующих фигурах показаны средние показатели разрядной емкости, как функции числа циклов. Эти средние показатели разрядной емкости выражены в % от номинальной емкости.The discharge capacity is derived from the discharge current and the time required to fulfill the end of discharge criteria. The corresponding figures show the average discharge capacity as a function of the number of cycles. These average discharge capacities are expressed as % of nominal capacity.
Соотношение между разрядной емкостью Qent и зарядной емкостью Qiad передает эффективность цикла: Z=Qent/Qiad. Зарядная емкость задается посредством параметров зарядки. Разрядную емкость, как описано выше, определяют для каждого цикла.The ratio between the discharge capacity Q ent and the charging capacity Q iad conveys the efficiency of the cycle: Z=Q ent /Q iad . The charging capacity is set via the charging parameters. The discharge capacity, as described above, is determined for each cycle.
Эксперимент 1. Проведение циклов с испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи с применением зарядного и разрядного тока силой 0,1 мА/см2.
С применением металлического лития в качестве активного материала отрицательного электрода провели три разных эксперимента с испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи согласно примеру 3. Три испытуемых целых элемента аккумуляторной батареи заполнили описанным в примере 2 электролитом 1. Положительные электроды содержали в качестве активного материала оксид лития-никеля-марганца-кобальта. Было проведено два цикла зарядки / разрядки и определена разрядная емкость. С первым испытуемым целым элементом аккумуляторной батареи провели непосредственно два цикла зарядки/разрядки. Со вторым испытуемым целым элементом аккумуляторной батареи выполнили, перед проведением двух циклов зарядки / разрядки, инициализирующий цикл. При этом металлический литий осаждали в течение 3 мин. током 12 мА и затем до конца зарядки с применением 0,1 мА/см2. Затем следовала разрядка. После этого начали проводить два цикла зарядки / разрядки. С помощью третьего испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи исследовалось влияние наружного давления. Для этого корпус испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи был определенным образом спрессован снаружи под давлением ок. 50 Н/см2. Затем провели инициализирующий цикл, как описано для второго испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи, и после этого два цикла зарядки / разрядки.Using lithium metal as the active material of the negative electrode, three different experiments were carried out with the tested whole cells of the battery according to example 3. Three tested whole cells of the battery were filled with the
Зарядка испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи происходила с применением тока 0,1 мА/см2 до достижения верхнего потенциала 4,4 В и зарядной емкости 8 мА.ч/см2. Затем проводилась разрядка током 0,1 мА/см2 до достижения потенциала 2,9 В.The whole cells of the battery under test were charged using a current of 0.1 mA/cm 2 until an upper potential of 4.4 V and a charging capacity of 8 mAh/cm 2 were reached. Then, discharge was carried out with a current of 0.1 mA/cm2 until a potential of 2.9 V was reached.
На фигурах 6, 7 и 8 показан соответственно потенциал в Вольтах трех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи во время зарядки и разрядки, как функции заряда в %, соотнесенного с максимальным зарядом. Также на фигурах можно видеть по каждому испытуемому целому элементу аккумуляторной батареи эффективность изображенных двух циклов.Figures 6, 7 and 8 show, respectively, the potential in Volts of three test whole battery cells during charging and discharging as a function of charge in %, correlated with the maximum charge. Also in the figures, one can see for each tested whole battery cell the efficiency of the depicted two cycles.
Все три испытуемых целых элемента аккумуляторной батареи имели схожую кривую потенциала при цикле 1 и при цикле 2. Эффективность цикла составила для всех испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи свыше 90%, и она несколько лучше у испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи, с которыми проводился инициализирующий цикл.All three tested whole battery cells had a similar potential curve in
Эксперимент 2. Морфология осаждения лития.
Для определения морфологии осажденного металлического лития был разобран второй испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи после нескольких циклов в эксперименте 1. На фиг. 9 показан этот отрицательный электрод, на котором можно видеть однородное и компактное осаждение лития. Не отмечено выборочного осаждения лития, поскольку весь электрод имел равномерное покрытие. Такое оптимальное осаждение лития указывает на хорошую цикловую стабильность лития в применяемом электролите 1.To determine the morphology of the deposited lithium metal, the second test whole battery cell was disassembled after several cycles in
Эксперимент 3. Проведение циклов с испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи с применением тока зарядки/разрядки силой 0,5 и 1,0 мА/см2.
Для исследования процессов зарядки и разрядки повышенными токами было изготовлено два дополнительных испытуемых целых элемента аккумуляторной батареи, как описано в эксперименте 1. С применением первого из них элемента проведено два цикла по зарядке и разрядке током зарядки и разрядки 0,5 мА/см2. Во время применения второго испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи ток зарядки/разрядки составлял 1,0 мА/см2. Этот элемент 21 раз заряжали и разряжали. У обоих испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи до циклов зарядки/разрядки проводился инициализирующий цикл. Зарядка испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи производилась током 0,5 мА/см2 и 1,0 мА/см2 до достижения потенциала 4,4 В и зарядной емкости 8 мА.ч/см2. Затем следовала разрядка током 0,5 и 1,0 мА/см2 до достижения потенциала 2,9 В.To study the processes of charging and discharging with increased currents, two additional tested whole cells of the battery were made, as described in
На фигурах 10 и 11 можно видеть соответственно потенциал в Вольтах двух испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи при зарядке и разрядке, как функцию зарядки в %, соотнесенную с максимальным зарядом. На этих же фигурах также представлены по каждому испытуемому цельному элементу аккумуляторной батареи показатели эффективности двух изображенных циклов. Оба испытуемых целых элемента аккумуляторной батареи показали схожую кривую потенциала при цикле 1 и цикле 2. Цикловая эффективность обоих испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи составила свыше 97% и явилась несколько большей у испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи, для которого применялся ток силой 1 мА/см2. С применением этого испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи (1 мА/см2) проводили последующие циклы. На фиг. 12 показана цикловая эффективность в %, как функция числа циклов. Цикловая эффективность указывает на устойчивую кривую, и на 21-м цикле составляла все еще ок. 95%.In Figures 10 and 11 one can see, respectively, the potential in Volts of the two tested whole cells of the battery during charging and discharging, as a function of charge in %, correlated with the maximum charge. The same figures also show, for each single battery cell tested, the performance of the two depicted cycles. Both tested whole battery cells showed a similar potential curve in
Эксперимент 4. Цикловая эффективность испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи с электролитом 1 в сравнении с испытуемыми целыми элементами аккумуляторной батареи с контрольным электролитом.
Для сравнения цикловой эффективности испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи с электролитом 1 с той же эффективностью испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с контрольным электролитом сначала были изготовлены испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи с контрольным электролитом. Испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи содержали фосфат лития-железа в качестве активного материала положительного электрода и металлический литий в качестве активного материала отрицательного электрода. Испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи содержал контрольный электролит состава LiAICl4×6SO2.To compare the cycle efficiency of the tested whole battery cells with
Для предупреждения коррозии лития, т.е. потери участвующего в циклах лития в данном электролите, был выбран ток 7,5 мА.ч/см2 для быстрой зарядки и разрядки. Этим током испытуемые целые элементы аккумуляторной батареи заряжали до достижения потенциала 3,6 В и затем разряжали до потенциала 2,5 В. Для сравнения применили второй испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи из эксперимента 1 (ток зарядки/разрядки 0,1 мА/см2) и второй испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи из эксперимента 3 (ток зарядки/разрядки 1 мА/см2), оба имели электролит 1.To prevent corrosion of lithium, i.e. losses of lithium participating in the cycles in this electrolyte, a current of 7.5 mAh/cm 2 was chosen for fast charging and discharging. With this current, the test whole cells of the battery were charged to a potential of 3.6 V and then discharged to a potential of 2.5 V. For comparison, the second test whole cell of the battery from
На фиг. 13 показана цикловая эффективность в %, как функция числа циклов, первых четырех циклов зарядки/разрядки испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи при использовании тока зарядки/разрядки 0,1 мА/см2, первых семи циклов зарядки/разрядки испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи током зарядки/разрядки 1 мА/см2 и первых семи циклов зарядки/разрядки испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи с контрольным электролитом. Цикловая эффективность испытуемых целых элементов аккумуляторной батареи с электролитом 1 показала очень стабильную кривую. После четырех циклов первый испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи достиг цикловую эффективность 98%, второй испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи достиг после семи циклов цикловую эффективность 92%. Испытуемый целый элемент аккумуляторной батареи с контрольным электролитом показал существенно худший результат. Он достиг на 7-м цикле эффективность, равную лишь около 68%.In FIG. 13 shows the cycle efficiency in %, as a function of the number of cycles, of the first four charge/discharge cycles of the whole battery cell under test using a charge/discharge current of 0.1 mA/cm2, the first seven charge/discharge cycles of the whole battery cell under test with the charging current. /
Эксперимент 5. Определение электропроводности электролитов 1, 3 и 4.
Для определения электропроводности приготовили электролиты 1, 3 и 4 с разной концентрацией соединений 1, 3 и 4. По каждой концентрации разных соединений определяли электропроводность электролитов, применяя для этого кондуктивный метод измерения. При этом после термостатирования двухэлектродный датчик выдерживали с обеспечением контакта в растворе электролита и производили измерение в диапазоне 0-50 мС/см. Во время измерений следили за тем, чтобы датчик мог реагировать с содержащим SO2 раствором электролита.To determine the electrical conductivity,
На фиг. 14 показана электропроводность электролита 1 в зависимости от концентрации соединения 1. Отмечается максимальная электропроводность при концентрации соединения 1 от 0,6 до 0,7 моль/л, составившая около 37,9 мС/см. По сравнению с этим известные из уровня техники органические электролиты, например, LP30 (1 М LJPF6 / ЭК-ЭМК (1:1 по весу) показали электропроводность, составившую только около 10 мС/см.In FIG. 14 shows the electrical conductivity of
На фигурах 15 (электролит 3) и 16 (электролит 4) показаны полученные при разных концентрациях показатели электропроводности электролитов 3 и 4. При использовании электролита 4 достигнуто не более 18 мС/см при концентрации проводящей соли 1 моль/л. Электролит 3 показал свою максимальную электропроводность, составившую 0,5 мС/см при концентрации проводящей соли 0,6 моль/л. И хотя электролит 3 показал меньшую электропроводность, зарядка и разрядка испытуемого целого элемента аккумуляторной батареи, как следует из эксперимента 4, вполне возможны.Figures 15 (electrolyte 3) and 16 (electrolyte 4) show the electrical conductivity of
Claims (65)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP19189435.1 | 2019-07-31 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2788178C1 true RU2788178C1 (en) | 2023-01-17 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001143750A (en) * | 1999-11-15 | 2001-05-25 | Central Glass Co Ltd | Electorlyte for electrochemical device |
RU2325014C1 (en) * | 2004-05-28 | 2008-05-20 | Эл Джи Кем. Лтд. | Lithium secondary batteries with cutoff voltage more than 4,35 v |
WO2008147751A1 (en) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Tiax, Llc | Non-aqueous electrolytes and electrochemical devices including the same |
RU2343601C2 (en) * | 2003-09-23 | 2009-01-10 | Гюнтер ХАМБИЦЕР | Accumulator battery cell |
JP4306858B2 (en) * | 1999-02-22 | 2009-08-05 | 三洋電機株式会社 | Solute for non-aqueous electrolyte battery and non-aqueous electrolyte battery |
US9263745B2 (en) * | 2010-02-12 | 2016-02-16 | Alevo Research Ag | Rechargeable electrochemical battery cell |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4306858B2 (en) * | 1999-02-22 | 2009-08-05 | 三洋電機株式会社 | Solute for non-aqueous electrolyte battery and non-aqueous electrolyte battery |
JP2001143750A (en) * | 1999-11-15 | 2001-05-25 | Central Glass Co Ltd | Electorlyte for electrochemical device |
RU2343601C2 (en) * | 2003-09-23 | 2009-01-10 | Гюнтер ХАМБИЦЕР | Accumulator battery cell |
RU2325014C1 (en) * | 2004-05-28 | 2008-05-20 | Эл Джи Кем. Лтд. | Lithium secondary batteries with cutoff voltage more than 4,35 v |
WO2008147751A1 (en) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Tiax, Llc | Non-aqueous electrolytes and electrochemical devices including the same |
US9263745B2 (en) * | 2010-02-12 | 2016-02-16 | Alevo Research Ag | Rechargeable electrochemical battery cell |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11901504B2 (en) | Rechargeable battery cell having an SO2-based electrolyte | |
JP2024504479A (en) | SO2 based electrolyte and rechargeable battery cells for rechargeable battery cells | |
RU2788178C1 (en) | Battery cell | |
RU2786631C1 (en) | Battery cell | |
RU2772791C1 (en) | Battery cell element | |
RU2787017C1 (en) | Battery cell | |
RU2784564C1 (en) | Accumulator battery element | |
RU2814179C1 (en) | So2-based electrolyte for storage battery cell and storage battery cell | |
RU2772790C1 (en) | So2 based electrolyte for battery cell and battery cell | |
US20230378541A1 (en) | Rechargeable battery cell | |
US20230378540A1 (en) | Rechargeable battery cell | |
Zinck et al. | Rechargeable battery cell having an SO 2-based electrolyte |