WO2008110558A1 - Electrolytes for electrochemical components - Google Patents

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WO2008110558A1
WO2008110558A1 PCT/EP2008/052884 EP2008052884W WO2008110558A1 WO 2008110558 A1 WO2008110558 A1 WO 2008110558A1 EP 2008052884 W EP2008052884 W EP 2008052884W WO 2008110558 A1 WO2008110558 A1 WO 2008110558A1
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WO
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lithium
electrolyte
mixture
solvent
solvents
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PCT/EP2008/052884
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German (de)
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Inventor
Andreas Wuersig
Peter Gulde
Gerold Neumann
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • Electrolytes for electrochemical devices are Electrolytes for electrochemical devices
  • the present invention relates to the use of solvents mixed with various additives in lithium-ion transport electrochemical devices, in particular in lithium-titanium-oxide spinel lithium batteries in the negative electrode.
  • Lithium batteries are understood here to mean that the battery body consists of a sequence of individual films, each having the necessary for use in a battery or in an accumulator electrochemical properties (electron-conducting and / or ion-conducting) and in which the charge transport within the cell drains via lithium ions.
  • the ionic conductivity is preferably at least partially produced by impregnation of the films with a conductive salt dissolved in the solvent.
  • the choice of the solvent is the subject of the present invention.
  • Liquid electrolyte filled This is absorbed in pores or in the polymer.
  • the use of carbon or graphite in the negative electrode of lithium-ion or lithium-polymer accumulators is state of the art today.
  • compounds such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 are used in the positive electrode. These materials are converted into films in a production-like manner as described in US Pat. No. 5,219,680 for the negative electrode.
  • For the electrolyte various ways of producing have been described. So there is the possibility to gelify liquid electrolytes and to make them so in films. Such a way is z. As described in US 5,009,970.
  • accumulators are obtained which, according to their position in the electrochemical series, provide quiescent voltages of approximately 4 V and, under load, an average voltage of approximately 3.65 V. They have a high energy density compared to lead, nickel cadmium or Nickelmetallhydridakkumulatoren and are therefore used in many applications, especially in portable electronic systems. The voltage provided also fits quite well with the operating voltage requirements of modern microelectronic circuits, as e.g. Mobile phones are installed.
  • anode comprising a lithium- and / or titanium-containing material such as lithium titanate, titanium oxide (anatase), lithium titanium sulfide (LiTiS2), lithium molybdenum sulfide (UM0S2) or doped derivatives thereof or any other anode material having a lithium insertion potential between 1 , 0 and 2.0 volts vs.
  • Li / Li + contains, as well as an especially suitable for this electrolyte mixture.
  • a lithium- and / or titanium-containing material such as lithium titanate, titanium oxide (anatase), lithium titanium sulfide (LiTiS 2), lithium molybdenum sulfide (UMOS 2) or doped derivatives thereof, provided that suitable solvents are chosen or any other anode material having a lithium storage potential between 1, 0, and 2.0 volts.
  • doping is meant the targeted displacement of the materials with foreign atoms (foreign ions). These are usually added in only minimal proportions of molar amounts (eg in the ppm range), but in special cases may be up to about 1 mol% or more, based on the other cations or anions of the Materials, be present.
  • lithium titanate Li 4 Ti 5 Oi 2
  • the other aforementioned substances offer as negative electrode material compared to graphite some decisive advantages.
  • lithium titanate has a voltage of 2.3 V versus positive electrodes with LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , but at about 160 Ah / kg has a lower energy density than carbon-based negative electrodes.
  • the volume expansion or contraction during loading and unloading is less than 1% and is thus negligible.
  • the tendency for the formation of cover layers and the risk of metallic lithium deposition is significantly lower, because the Lithiumeinlagerungspotential of the lithium titanate as well as the other materials mentioned in the invention is significantly more positive compared to graphite / carbon-based anode materials.
  • the reduced rest voltage in cells with lithium titanate in the negative electrode also advantageously takes into account the requirements of many electronic systems that are either now or will operate at lower voltages and in which at high operating voltages, the voltage would have to be transformed down under power loss.
  • Lithium titanate is proposed in US Pat. No. 5,766,796 as a material for an allegedly cover-free anode.
  • This anode is made of electroactive lithium titanate formed in situ from TiO 2 and Li 2 CO 3 , a high surface area carbon material such as acetylene black, as an electron-conducting additive, and a polymer electrolyte.
  • the polymer electrolyte It consists of polyacrylonitrile, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and LiPF 6 . It is combined with LiMn 2 O 4 or the like as a cathode and an electrolyte layer made of polyacrylonitrile, which in turn is filled with EC and PC in which a lithium salt such as LiPF 6 is dissolved.
  • one or more such additives are present in amounts of no more than 5% each by volume, even more preferably at most 2% by volume, and most preferably at most 1% by volume, each based on the volume of the final electrolyte ,
  • the total amount of the additives should not exceed 15% by volume, preferably 10% by volume, more preferably 5% by volume and most preferably 2% by volume.
  • an additive is sufficient; if appropriate, however, it is also possible to add two or even more additives.
  • the major component (s) of the solvent is / are not critical or limited except for the fact that ethylene carbonate should not be used.
  • All other carbonates and especially cyclic carbonates such as PC or symmetrical or asymmetric, optionally disubstituted carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) or ethyl methyl carbonate (EMC) may be used, as well as other solvents such as lactones, ie cyclic esters, including in particular ⁇ -butyrolactone, and so-called ionic liquids, ie salts which are liquid at room temperature.
  • the major component may be only a solvent, for example (and preferably) GBL. But it can also be 2 or even 3 or more solvents mixed together, z. GBL and PC or GBL and DMC and DEC, or PC and EMC. In these mixtures, the components are contained in equal (weight) proportions or in any proportion, with the proviso that the proportion of none of the solvents meets the criteria for the additive.
  • Particularly suitable additives are the following compounds: vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile, vinyl ethylene carbonate.
  • other common solvents including EC, which is not considered according to the invention as the main solvent component (when EC is used in small amounts, its negative properties are more than compensated by corresponding positive properties of the solvent used).
  • Special advantages are the uncomplicated admixture of flame retardant solvents or
  • Additives such as fluorinated organic carbonates. Furthermore, there is the possibility of admixing additives to prevent overcharging, which operate according to a so-called “shuttle” mechanism, which are compounds that are able to transport electrons between the anode and the cathode by means of redox reactions : 2,4-difluoroanisole, biphenyl, 3-chlorothiophene or furan.
  • LiPF 6 LiBF 4 used by default in lithium-ion batteries as conductive salt.
  • Further useful conductive salts are LiCIO 4 , lithium [bis (oxalato) borate] (“LiBOB”) or lithium trifluoromethanesulfonate
  • LiCIO 4 lithium [bis (oxalato) borate]
  • LiBOB lithium [bis (oxalato) borate]
  • Lithium titanate is both an electronic insulator and a poor ion conductor.
  • the embedding in the polymer matrix must therefore over the Matrix to ensure the required conductivities.
  • the electronic conductivity can be achieved by the addition of conductive carbon blacks.
  • the ionic conductivity of the matrix can be produced in two ways: (1) The film is produced, for example, from a pasty mass with the setting of a high degree of micropores, which are then - after solidification of the mass - impregnated with a solution dissolved in a solvent Soak up lithium salt to produce ionic conductivity. (2) A suitable binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) develops sufficient ionic conductivity after being impregnated with a suitable solution of a lithium salt.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the individual battery or accumulator layers or foils are often made from pastes.
  • the composition of a paste as starting material for the production of films for the negative electrode in lithium batteries with an inventively proposed anode material as Interkalationsmatehal is therefore to be chosen as follows due to the above considerations: the said anode material, an electron-conducting material such as conductivity soot, if necessary, a ( preferably non-conductive ionic) polymer binder. These materials are blended with a suitable solvent (often chosen from solvents without plasticizing properties, e.g., acetone). This produces a paste that must be stirred very carefully to achieve a highly uniform distribution of the components without sedimentation or streaking occurring.
  • a suitable solvent often chosen from solvents without plasticizing properties, e.g., acetone
  • a supported or preferably self-supporting film is obtained which, with the counter electrode and separator / electrolyte films, becomes a film accumulator can be further processed.
  • a non-conductive polymer binder it is of course possible to use an ion-conducting polymer binder or a non-ion-conducting polymer binder in combination with electrolyte liquid for the preparation of the paste.
  • Suitable materials for the discharge electrodes are for the positive electrode: Al, Cu, Pt, Au, C.
  • lithium polymer accumulators are, if they were prepared using an ionically non-conductive polymer matrix, which forms a separator between the electrodes, but possibly also in the electrode films, by impregnation in a liquid electrolyte mixture consisting of a or more solvents and a lithium salt, activated to ensure the required ion transport between the electrodes. This liquid decisively determines the structure of the cover layers on the anode material.
  • Graphite has a lithium activity close to 1 at a voltage around 0 V against lithium, while lithium titanate at a voltage of about 1, 5 V against lithium only a small
  • lithium titanate-based cells to light overcharge allows a much simpler series connection of several cells to achieve elevated voltages than 2.3 V.
  • Production-related fluctuations in capacity in the production of single cells require in graphite-based cells for safety reasons when loading a single cell monitoring.
  • This sensitivity is not present in lithium titanate-based cells, so that a complex single-cell monitoring can be omitted, it is sufficient if necessary, a simple Zener diode.
  • Lii , 3 Alo , 3 Tii , 7 (PO 4 ) 3 powder were intimately mixed with dissolved in acetone PVDF (25 wt.%) And pulled to a film, with a thickness of 20 50 ⁇ m.
  • LiPF 6 was replaced by LiBF 4 , which was also prepared as a 1 M solution in GBL.
  • the positive electrode, separator / solid electrolyte and negative electrode were respectively laminated to film bodies, which were impregnated with electrolytes according to Examples 5 4 to 7. Subsequently, the cells were sealed in a plastic-coated aluminum foil and annealed at temperatures of 60 0 C for several hours.
  • Electrolyte mixtures according to Examples 4 to 7 soaked and compared in terms of their electrical properties out.
  • a test cell with the electrolyte according to Example 4 was realized.
  • a very good Zykestesttechnik showed, however, a limited temperature range of use of the cells.
  • Below i5 -10 0 C the removable capacity drops markedly, while at temperatures above 70 ° C increased gas formation is observed in the cell.
  • a test cell was prepared with the electrolyte mixture according to Example 5.
  • Figure 2 shows that this cell has unsatisfactory Zykel . After replacing the electrolyte salt according to Example 6, there was already a significant improvement, which also
  • Figure 1 shows the charge and discharge curve at 1C of a cell with lithium titanate in the negative electrode and a mixture of GBL with 1 M LiBF 4 and 1 vol .-% VC as the electrolyte.
  • the charge / discharge curve is highly symmetrical in terms of charge / discharge capacity, with very little irreversible loss (0.08%).
  • Figure 2 shows the Zykel of cells that have undergone 300 charge / discharge cycles.
  • the residual capacity is still 87% of the initial capacity at 1 C after using an electrolyte of GBL with 1 M LiBF 4 and 1% by volume VC after 300 cycles.
  • the reference cell with standard electrolyte LP30 is almost identical to its cycle curve.
  • Figure 3 shows a Zykelexperiment at a temperature of -30 0 C with an electrolyte mixture according to Example 5. At the level of about 11% of the capacity at room temperature, a stable Zyklen with C / 2 is observed.
  • Figure 4 shows Zykelsite at gradually elevated temperatures between +60 0 C and + 80 ° C with an electrolyte mixture according to Example 5. There are only small capacity losses can be seen and the cells show no gas formation even at 80 0 C.
  • Figure 5 cells with an electrolyte mixture according to Example 5 were temporarily (between 1 and 5 hours) heated to a temperature of 100 ° C and then exhaustivegezykelt at room temperature. The temperature treatment results in only small capacity losses.
  • electrolyte mixture described above is independent of whether it is present as such or in conjunction with an electrode, in particular an electrode of the type proposed according to the invention, a composite layer, which has the properties of an electrochemical device, or a electrochemical device as such, for example a lithium battery, is used, in all cases preferably characterized as follows:
  • Electrolyte mixture characterized in that a conductive salt is dissolved in a mixture of at least one solvent and at least one additive, wherein
  • the solvent or the solvent mixture preferably has a melting point of below 25 ° C, more preferably below 0 0 C, and even more preferably less than -15 ° C and / or has a boiling point preferably above 100 0 C, more preferably above 150 0 C and most preferably from about 200 ° C or above.
  • the conductive salt may be a lithium salt whose anion is the anion of an acid, eg LiPF 6 , this anion being selected in particular from lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium [bis (oxalato) borate] (“LiBOB”) or lithium trifluoromethanesulfonate or mixtures of at least two of these salts.
  • LiPF 6 lithium tetrafluoroborate
  • LiBOB lithium [bis (oxalato) borate]
  • LiBOB lithium trifluoromethanesulfonate
  • the one or more solvents may be selected from organic carbonates and lactones.
  • one of the solvents is ⁇ -butyrolactone.
  • At least one additive may be selected from vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile and vinyl ethylene carbonate. Vinylene carbonate is particularly preferred.
  • electrolyte mixture as such or in its optional, highlighted or preferred embodiments can be used in an electrochemical component which preferably has a lithium titanium-containing negative electrode, which in particular also contains an electron-conducting material.
  • This material may be a conductive carbon material, such as carbon black.

Abstract

The invention relates to an electrolyte mixture for use in electrochemical components, the anode of which contains a lithium- and/or titanium-containing material or another anode material with a lithium incorporation potential between 1.0 and 2.0 Volt vs. Li/Li+ and in particular lithium titanate, titanium oxide (anatas), lithium titanate sulfide (LiTiS2), lithium molybdenate sulfide (LiMoS2) or doped derivatives thereof, characterized in that the electrolyte mixture contains a conductor salt dissolved in a mixture of at least one solvent and at least one solvent additive, wherein one or more solvents are used which do not comprise ethylene carbonate, wherein each of said solvents is present at a level of at least 10 percent by volume relative to the total volume of the electrolyte produced, a conductor salt is used that is suitable for use in electrochemical components with lithium ion-conduction, and in that each solvent additive is present in a concentration of up to 10 percent by volume. This electrolyte mixture is particularly suitable for use in an electrochemical component, the negative electrode of which contains lithium titanate, titanium oxide (anatas), lithium titanate sulfide (LiTiS2), lithium molybdenate sulfide (LiMoS2) or doped derivatives thereof, and an electron conducting material, e.g., soot. Accordingly, the invention further relates to a coating compound, for example, in a lithium accumulator, with an anode containing a lithium- and/or titanium-containing material or another anode material with a lithium incorporation potential between 1.0 and 2.0 Volt vs. Li/Li+ and in particular lithium titanate, titanium oxide (anatas), lithium titanate sulfide (LiTiS2), lithium molybdenate sulfide (LiMoS2) or doped derivatives thereof, a positive electrode suitable for use in lithium-ion accumulators, and a separator- or solid electrolyte coating which is saturated with the claimed electrolyte mixture.

Description

Elektrolyte für elektrochemische Bauelemente Electrolytes for electrochemical devices
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Lösemitteln, gemischt mit verschiedenen Additiven, in elektrochemischen Bauelementen mit Lithium- lonentransport, insbesondere in Lithium-Akkumulatoren mit Lithium-Titan-Oxid- Spinellen in der negativen Elektrode. Unter Lithium-Akkumulatoren wird hier verstanden, dass der Batteriekörper aus einer Sequenz einzelner Folien besteht, die jeweils die für die Verwendung in einer Batterie bzw. in einem Akkumulator erforderlichen elektrochemischen Eigenschaften haben (elektronenleitend und/oder ionenleitend sind) und in denen der Ladungstransport innerhalb der Zelle über Lithium- Ionen abläuft. Die ionische Leitfähigkeit wird vorzugsweise zumindest teilweise über die Tränkung der Folien mit einem in dem Lösemittel gelösten Leitsalz hergestellt. Insbesondere die Wahl des Lösemittels ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The present invention relates to the use of solvents mixed with various additives in lithium-ion transport electrochemical devices, in particular in lithium-titanium-oxide spinel lithium batteries in the negative electrode. Lithium batteries are understood here to mean that the battery body consists of a sequence of individual films, each having the necessary for use in a battery or in an accumulator electrochemical properties (electron-conducting and / or ion-conducting) and in which the charge transport within the cell drains via lithium ions. The ionic conductivity is preferably at least partially produced by impregnation of the films with a conductive salt dissolved in the solvent. In particular, the choice of the solvent is the subject of the present invention.
Elektrochemische Bauelemente auf der Basis von Folientechnologien herzustellen, wird seit Beginn der siebziger Jahre praktiziert. Die Vorteile einer Herstellung in Folientechnologie liegen auf der Hand: Die Folientechnologie ist ein sehr wirtschaftliches Fertigungsverfahren, das ein hohes Maß an Formgebungsfreiheit bietet. Neben der Möglichkeit des Aufrollens lassen sich auch ohne großen Aufwand wechselnde andere Geometrien realisieren. Zudem gewährleistet diese Technologie eine sehr große Kontaktfläche zwischen den einzelnen Schichten unterschiedlicher Funktionalität wie z. B. zwischen Elektroden und Elektrolyt in Akkumulatoren im Bezug auf das eingesetzte Volumen an elektrochemisch aktivem Material. Daraus resultieren in dieser Anwendung besonders günstige Lade- und Entladeeigenschaften.Producing electrochemical components based on film technology has been practiced since the early seventies. The advantages of producing film technology are obvious: film technology is a very economical production process that offers a high degree of freedom of forming. In addition to the possibility of reeling can be realized without much effort changing other geometries. In addition, this technology ensures a very large contact surface between the layers of different functionality such. B. between electrodes and electrolyte in accumulators with respect to the volume of electrochemically active material used. This results in this application particularly favorable loading and unloading.
In der Patentliteratur sind eine Reihe von Verfahren zum Herstellen solcher Folien beschrieben worden. US 5.219.680 beschreibt beispielsweise die Zusammensetzung einer Kohlenstoff-/Polymer-Elektrode bestehend aus Kohlenstoffpartikeln, die in einer Polymermatrix gebunden sind. Um die ionische Leitfähigkeit in der Anodenfolie zwischen den Kohlenstoffpartikeln herzustellen, wird diese Anode mit einemThe patent literature has described a number of methods for producing such films. US 5,219,680, for example, describes the composition of a carbon / polymer electrode consisting of carbon particles bound in a polymer matrix. In order to produce the ionic conductivity in the anode foil between the carbon particles, this anode with a
Flüssigelektrolyten befüllt. Dieser wird in Poren bzw. im Polymer aufgenommen. Die Verwendung von Kohlenstoffen bzw. Graphiten in der negativen Elektrode von Lithium- Ionen- bzw. Lithium-Polymer-Akkumulatoren ist heute Stand der Technik. Dabei werden in der Regel in der positiven Elektrode Verbindungen wie LiCoO2 oder LiMn2O4 eingesetzt. Diese Materialien werden in fertigungstechnisch vergleichbarer Weise wie in US 5.219.680 für die negative Elektrode beschrieben in Folien überführt. Für den Elektrolyten sind verschiedene Wege zur Herstellung beschreiben worden. So gibt es die Möglichkeit, Flüssigelektrolyte zu gelifizieren und sie so in Folien umzuarbeiten. Ein solcher Weg ist z. B. in US 5.009.970 beschrieben worden. Eine andere Vorgehensweise besteht darin, eine Folie mit feinporiger Schwamm struktur herzustellen und diese nach Fertigstellung des Folienverbundes durch Imprägnierung in einem Flüssigelektrolyt ionisch leitfähig zu machen. Dieses Verfahren ist in US 5.464.000 offengelegt worden. Darüber hinaus beschreibt DE 198 39 217.6 die Möglichkeit, Feststoffionenleiter in eine Polymermatrix einzubinden und so eine Elektrolytfolie herzustellen.Liquid electrolyte filled. This is absorbed in pores or in the polymer. The use of carbon or graphite in the negative electrode of lithium-ion or lithium-polymer accumulators is state of the art today. As a rule, compounds such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 are used in the positive electrode. These materials are converted into films in a production-like manner as described in US Pat. No. 5,219,680 for the negative electrode. For the electrolyte, various ways of producing have been described. So there is the possibility to gelify liquid electrolytes and to make them so in films. Such a way is z. As described in US 5,009,970. Another Approach is to produce a film with fine-pored sponge structure and to make them ionically conductive after completion of the film composite by impregnation in a liquid electrolyte. This method has been disclosed in US 5,464,000. In addition, DE 198 39 217.6 describes the possibility of incorporating solid-state ion conductors into a polymer matrix and thus producing an electrolyte film.
In der Kombination der voranstehend genannten Elektrodenmaterialien werden Akkumulatoren erhalten, die entsprechend ihrer Position in der elektrochemischen Spannungsreihe Ruhespannungen von ca. 4 V und unter Belastung eine mittlere Spannung von ca. 3,65 V bereitstellen. Sie besitzen eine hohe Energiedichte im Vergleich zu Blei-, Nickelcadmium- bzw. Nickelmetallhydridakkumulatoren und kommen deshalb in vielfältigen Anwendungen insbesondere bei portablen elektronischen Systemen zum Einsatz. Die bereitgestellte Spannung passt zudem recht genau zu den Betriebsspannungsanforderungen moderner mikroelektronischer Schaltkreise, wie sie z.B. Mobiltelefonen eingebaut werden.In the combination of the above-mentioned electrode materials, accumulators are obtained which, according to their position in the electrochemical series, provide quiescent voltages of approximately 4 V and, under load, an average voltage of approximately 3.65 V. They have a high energy density compared to lead, nickel cadmium or Nickelmetallhydridakkumulatoren and are therefore used in many applications, especially in portable electronic systems. The voltage provided also fits quite well with the operating voltage requirements of modern microelectronic circuits, as e.g. Mobile phones are installed.
Die Verwendung von Kohlenstoffen bzw. Graphiten in der negativen Elektrode von Lithium-Ionen-/Lithium-Polymer-Akkumulatoren bringt jedoch drei materialbedingte Nachteile mit sich.However, the use of carbon or graphite in the negative electrode of lithium-ion / lithium-polymer batteries entails three material-related disadvantages.
(1 ) Kohlenstoffe/Graphite erfahren während der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen eine erhebliche Volumenänderung, die in der Größenordnung von einigen Prozent liegt. Diese permanente Expansion und Kontraktion im Betrieb des Akkumulators führt zum Verlust der Kontakte zwischen den Kohlenstoffpartikeln innerhalb der Anode, so dass eine zunehmende Zahl von Kohlenstoffpartikeln nicht mehr zur Speicherung von Lithiumionen beitragen kann, da sie den Kontakt zur Matrix verlieren. Darüber hinaus verschlechtert sich der Kontakt zum Ableitgitter. Diese Effekte wirken sich nach außen in Form einer abnehmenden Kapazität sowie in einer Erhöhung des Innenwiderstandes aus.(1) Carbons / graphites undergo a significant volume change during the intercalation and deintercalation of lithium ions, which is on the order of several percent. This permanent expansion and contraction in the operation of the accumulator leads to the loss of contacts between the carbon particles within the anode so that an increasing number of carbon particles can no longer contribute to the storage of lithium ions as they lose contact with the matrix. In addition, the contact with the Ableitgitter deteriorated. These effects affect the outside in the form of a decreasing capacity and in an increase of the internal resistance.
(2) Insbesondere bei der Erstaufladung eines Lithiumakkumulators mit kohlenstoffbasierter Anode und unter Einbeziehung eines Flüssigelektrolyten, die auch als Formierung bezeichnet wird, baut sich an der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel eine Deckschicht aus, die in der Fachliteratur mit der Bezeichnung Solid Electrolyte Interface (SEI) belegt ist. Diese bildet sich aus einer chemischen Zersetzung der Lösemittel unter Einbeziehung von Lithiumionen. Bei einer ungünstigen Wahl von Lösemitteln wächst diese Deckschicht mit jedem Lade-/Entladezyklus weiter und behindert die Wanderung der Lithiumionen bei der Ein- und Auslagerung aus den Kohlenstoffpartikeln. Darüber hinaus kann die Volumenänderung im Kohlenstoff beim Ein- und Ausbau von Lithiumionen zu einem Aufreißen der Deckschicht führen mit der Folge, dass die Deckschicht kontinuierlich weiter wächst. Neben dem nicht zu vermeidenden Verlust an Lithium zumindest bei der Formierung können eine Erhöhung des Innenwiderstandes (Durchtrittswiderstand in den Deckschichten) und bei Weiterwachsen der(2) In particular, in the initial charging of a lithium battery with carbon-based anode and including a liquid electrolyte, which is also referred to as formation, builds on the surface of the carbon particles from a cover layer, which in the literature with the name Solid Electrolyte Interface (SEI) occupied is. This forms from a chemical decomposition of the solvents involving lithium ions. In the case of an unfavorable choice of solvents, this covering layer continues to grow with each charge / discharge cycle and impedes the migration of the lithium ions during the deposition and removal from the carbon particles. In addition, the Volume change in the carbon during the installation and removal of lithium ions lead to a rupture of the cover layer, with the result that the cover layer continues to grow continuously. In addition to the unavoidable loss of lithium at least during the formation of an increase in the internal resistance (penetration resistance in the outer layers) and in further growth of the
Deckschichten kontinuierlich Kapazitätsverluste auftreten. Alle Effekte, die zu Kapazitätsverlusten in der Batterie führen, werden unter dem Oberbegriff „Fading" zusammengefasst. Dabei findet man heute in guten kommerziell erhältlichen Lithiumionen- oder Lithiumpolymerakkumulatoren, dass nach 500 Lade-/ Entladezyklen noch 80% der Kapazität nach dem Formierschritt vorhanden ist.Overlay layers continuously loss of capacity occur. All the effects that lead to capacity losses in the battery are summarized under the generic term "fading." Today, in good commercially available lithium-ion or lithium polymer accumulators, after 500 charge / discharge cycles, 80% of the capacity is still present after the forming step ,
Beim Formieren sind Kapazitätsverluste zwischen 5% und 10% der theoretisch zu erwartenden Kapazität üblich. Hierfür ist nach heutigem Erkenntnisstand in erster Linie der Kohlenstoff in der Anode verantwortlich. (3) Kohlenstoffbasierte Elektroden bergen ein Sicherheitsrisiko in sich, da es aufgrund der Potentialverhältnisse gegenüber metallischem Lithium sehr schnell zurWhen forming, capacity losses between 5% and 10% of the theoretically expected capacity are common. For this purpose, according to current knowledge, primarily the carbon in the anode is responsible. (3) Carbon-based electrodes pose a safety risk, since due to the potential ratios to metallic lithium very quickly to
Abscheidung von fein verteiltem, metallischem Lithium kommen kann, z. B. bei Überladung.Deposition of finely divided, metallic lithium can come, z. B. overload.
Auch die standardmäßig in Lithiumionen-Batterien verwendeten Elektrolyte auf Basis von Ethylencarbonat (EC) sind mit einigen Nachteilen verbunden. Denn da dieses organische Lösungsmittel bereits knapp oberhalb von Raumtemperatur in einen festen Aggregatzustand übergeht und auch schon bei darunter liegenden Temperaturen eine hohe Viskosität und damit niedrige lonenleitfähigkeit aufweist, muss es mit einem Viskositätserniedriger gemischt werden. Dazu wird häufig Dimethylcarbonat (DMC) eingesetzt. Diese Kombination ist aber nur in einem eingeschränktenAlso, the standard used in lithium-ion batteries electrolytes based on ethylene carbonate (EC) are associated with some disadvantages. Since this organic solvent already passes into a solid state of matter just above room temperature and also has a high viscosity and thus low ionic conductivity even at temperatures below that, it must be mixed with a viscosity reducer. For this purpose, dimethyl carbonate (DMC) is often used. But this combination is only limited
Temperaturbereich (ca. -10° bis ca. +600C) verwendbar. Tabelle 1 stellt die Schmelzbzw. Siedetemperaturen verschiedener Lösemittel gegenüber. Hervorzuheben ist der deutlich erweiterte Temperaturbereich von Gamma-Butyrolacton (GBL) bzw. Propylencarbonat (PC) gegenüber den Lösemitteln, die heute standardmäßig in Lithium-Akkumulatoren zum Einsatz kommen.Temperature range (about -10 ° to about +60 0 C) used. Table 1 represents the Schmelzbzw. Compared with boiling temperatures of various solvents. Particularly noteworthy is the significantly extended temperature range of gamma-butyrolactone (GBL) or propylene carbonate (PC) compared to the solvents that are currently used as standard in lithium accumulators.
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Tabelle 1 In der Kombination von Kohlenstoffen als aktivem negativem Elektrodenmaterial mit Standardelektrolyten ist die für eine dauerhafte Zykelstabilität unter gängigen Betriebsbedingungen notwendige robuste SEI mit reinem GBL bzw. PC allerdings nicht gewährleistet.Table 1 The combination of carbons as active negative electrode material with standard electrolytes, however, does not guarantee the robust SEI with pure GBL or PC, which is necessary for permanent cycle stability under standard operating conditions.
In Anwendungen mit besonderen Anforderungen, insbesondere bezüglich Hoch- und Tieftemperaturfestigkeit, wird man deshalb vorzugsweise ein Alternativmaterial zur Kombination Kohlenstoff/Graphit mit EC-basierten Elektrolyten einsetzen.In applications with special requirements, in particular with regard to high and low temperature resistance, it is therefore preferable to use an alternative material for the combination of carbon / graphite with EC-based electrolytes.
Im US-Patent 6,929,885 B2 wird über die Probleme verschiedener Lösungsmittel- Zusammensetzungen in Lithium-Sekundärbatterien mit Kohlenstoff als negativer Elektrode und einem Lithiumoxid oder -mischoxid als positiver Elektrode berichtet. γ-Butyrolacton (GBL) als Lösemittel führe zwar zu guten Lade-Entlade-Charaktehstiken; die Zykeleigenschaften seien jedoch nicht zufriedenstellend. Wenn zusätzlich Ethylencarbonat (EC) und Vinylencarbonat (VC) zugesetzt werden, seien die Zykeleigenschaften gut; es werde jedoch Gasbildung bei höheren Temperaturen beobachtet. Verbesserte Eigenschaften erhalte man allerdings, wenn eine Mischung aus EC und GBL als Hauptkomponente mit VC und Vinylethylencarbonat eingesetzt werden.US Pat. No. 6,929,885 B2 reports the problems of various solvent compositions in lithium secondary batteries with carbon as a negative electrode and a lithium oxide or mixed oxide as a positive electrode. Although γ-butyrolactone (GBL) as a solvent leads to good charge-discharge characteristics; However, the Zykeleigenschaften are not satisfactory. In addition, when ethylene carbonate (EC) and vinylene carbonate (VC) are added, the cycling properties are good; however, gas formation is observed at higher temperatures. Improved properties are obtained, however, when a mixture of EC and GBL is used as the main component with VC and vinyl ethylene carbonate.
Wohl aufgrund einer relativ starken und andauernden reduktiven Degradation von GBL bei Potentialen, wie sie in graphitbasierten Lithiumakkumulatoren typischerweise erreicht werden, ist also ein stabiles Zyklisieren in solchen Batterien unter Verwendung von GBL als Hauptkomponente nicht möglich. Im Allgemeinen kann ein starkes Fading der Entladekapazität beobachtet werden.Probably due to a relatively strong and sustained reductive degradation of GBL at potentials typically achieved in graphite-based lithium batteries, therefore, stable cycling in such batteries using GBL as the major component is not possible. In general, a strong fading of the discharge capacity can be observed.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterie- bzw. Akkumulatorsystem bereitzustellen, dessen Elektroden- und Elektrolytmaterialien so aufeinander eingestellt sind, dass die vorgenannten Nachteile vermieden werden.It is an object of the present invention to provide a battery or accumulator system whose electrode and electrolyte materials are adjusted to one another in such a way that the aforementioned disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Wahl von spezifisch aufeinander abgestimmten Materialien für die negative Elektrode und das Elektrolyt-Lösemittel. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer Anode, die ein lithium- und/oder titanhaltiges Material wie Lithiumtitanat, Titanoxid (Anatas), Lithiumtitansulfid (LiTiS2), Lithiummolybdänsulfid (UM0S2) oder dotierte Abkömmlinge davon oder ein sonstiges Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ enthält, sowie einer hierfür besonders gut geeigneten Elektrolytmischung. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass es - unter der Voraussetzung der Wahl geeigneter Lösemittel - günstig ist, als Anodenmaterial ein lithium- und/oder titanhaltiges Material wie Lithiumtitanat, Titanoxid (Anatas), Lithiumtitansulfid (LiTiS2), Lithiummolybdänsulfid (UM0S2) oder dotierte Abkömmlinge davon oder ein sonstiges Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ Lithiumtitanat (Li4Ti5Oi2) einzusetzen. Unter Dotierung wird dabei das gezielte Versetzen der Materialien mit Fremdatomen (Fremdionen) verstanden. Diese werden in der Regel in nur minimalen Stoffmengenanteilen (z. B. im ppm-Bereich) zugegeben, können aber in speziellen Fällen in einer Menge von bis zu ca. 1 Mol-% oder noch darüber, bezogen auf die übrigen Kationen oder Anionen des Materials, vorhanden sein.This object is achieved by the choice of specifically matched materials for the negative electrode and the electrolyte solvent. In particular, the object is achieved by providing an anode comprising a lithium- and / or titanium-containing material such as lithium titanate, titanium oxide (anatase), lithium titanium sulfide (LiTiS2), lithium molybdenum sulfide (UM0S2) or doped derivatives thereof or any other anode material having a lithium insertion potential between 1 , 0 and 2.0 volts vs. Li / Li + contains, as well as an especially suitable for this electrolyte mixture. According to the invention, it has been found that it is favorable, as an anode material, a lithium- and / or titanium-containing material such as lithium titanate, titanium oxide (anatase), lithium titanium sulfide (LiTiS 2), lithium molybdenum sulfide (UMOS 2) or doped derivatives thereof, provided that suitable solvents are chosen or any other anode material having a lithium storage potential between 1, 0, and 2.0 volts. Li / Li + lithium titanate (Li 4 Ti 5 Oi 2 ) to use. By doping is meant the targeted displacement of the materials with foreign atoms (foreign ions). These are usually added in only minimal proportions of molar amounts (eg in the ppm range), but in special cases may be up to about 1 mol% or more, based on the other cations or anions of the Materials, be present.
Zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit wird dem genannten Anodenmaterial in der Regel ein Elektronenleiter beigegeben, beispielsweise ein (Leitfähigkeits-)Ruß. Insbesondere Lithiumtitanat (Li4Ti5Oi2), aber auch die anderen vorgenannten Substanzen bieten als negatives Elektrodenmaterial gegenüber Graphit einige entscheidende Vorteile. So weist Lithiumtitanat eine Spannung gegenüber positiven Elektroden mit LiCoO2 oder LiMn2O4 von 2,3 V auf, hat allerdings mit ca. 160 Ah/kg eine geringere Energiedichte als kohlenstoffbasierte negative Elektroden. Es vermeidet jedoch weitestgehend deren o. g. Nachteile. Die Volumenexpansion bzw. -kontraktion beim Be- bzw. Entladen liegt unter 1 % und ist damit vernachlässigbar. Eine kurze Darstellung der Eigenschaften der Lithiumtitanate findet sich in J. O. Besenhard (Ed.), „Handbook of Battery Materials", Wiley-VCH, 1999, S. 316 - 317.To increase the electronic conductivity of the said anode material is usually added an electron conductor, such as a (conductivity) soot. In particular, lithium titanate (Li 4 Ti 5 Oi 2 ), but also the other aforementioned substances offer as negative electrode material compared to graphite some decisive advantages. For example, lithium titanate has a voltage of 2.3 V versus positive electrodes with LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 , but at about 160 Ah / kg has a lower energy density than carbon-based negative electrodes. However, it largely avoids the above-mentioned disadvantages. The volume expansion or contraction during loading and unloading is less than 1% and is thus negligible. A brief summary of the properties of lithium titanates can be found in JO Besenhard (Ed.), Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH, 1999, pp. 316-317.
Auch die Neigung zur Bildung von Deckschichten sowie die Gefahr der metallischen Lithiumabscheidung ist deutlich geringer, denn das Lithiumeinlagerungspotential des Lithiumtitanates wie auch der anderen erfindungsgemäß genannten Materialien ist deutlich positiver im Vergleich zu graphit-/kohlenstoffbasierten Anodenmaterialien. Die reduzierte Ruhespannung in Zellen mit Lithiumtitanat in der negativen Elektrode trägt zudem in vorteilhafter Weise den Ansprüchen vieler elektronischer Systeme Rechnung, die entweder jetzt schon oder zukünftig bei geringeren Spannungen betrieben werden sollen und in denen bei zu hohen Betriebsspannungen die Spannung unter Leistungsverlust heruntertransformiert werden müsste.The tendency for the formation of cover layers and the risk of metallic lithium deposition is significantly lower, because the Lithiumeinlagerungspotential of the lithium titanate as well as the other materials mentioned in the invention is significantly more positive compared to graphite / carbon-based anode materials. The reduced rest voltage in cells with lithium titanate in the negative electrode also advantageously takes into account the requirements of many electronic systems that are either now or will operate at lower voltages and in which at high operating voltages, the voltage would have to be transformed down under power loss.
Lithiumtitanat wird im US-Patent 5,766,796 als Material für eine angeblich deckschichtfreie Anode vorgeschlagen. Diese Anode wird hergestellt aus elektroaktivem Lithiumtitanat, das in situ aus TiO2 und Li2COs gebildet wurde, einem Kohlenstoffmaterial mit großer Oberfläche, z.B. Acetylenschwarz, als elektronenleitendem Zusatz und einem Polymerelektrolyten. Der Polymerelektrolyt besteht aus Polyacrylnitril, Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC) und LiPF6. Sie wird mit LiMn2O4 oder dergleichen als Kathode und einer Elektrolytschicht aus Polyacrylnitril kombiniert, das wiederum mit EC und PC, in dem ein Lithiumsalz wie LiPF6 gelöst ist, befüllt ist.Lithium titanate is proposed in US Pat. No. 5,766,796 as a material for an allegedly cover-free anode. This anode is made of electroactive lithium titanate formed in situ from TiO 2 and Li 2 CO 3 , a high surface area carbon material such as acetylene black, as an electron-conducting additive, and a polymer electrolyte. The polymer electrolyte It consists of polyacrylonitrile, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and LiPF 6 . It is combined with LiMn 2 O 4 or the like as a cathode and an electrolyte layer made of polyacrylonitrile, which in turn is filled with EC and PC in which a lithium salt such as LiPF 6 is dissolved.
Ob ein Akkumulator aus den vorgenannten Materialien tatsächlich deckschichtfrei ist, darf bezweifelt werden. Der Anstieg des Widerstands von 3 Ω auf 3,2 Ω nach 150 Zyklen ist jedenfalls kein Beweis hierfür. Denn es gibt durchaus relativ gut ionenleitende Deckschichten; es ist außerordentlich schwierig, diese aufzuspüren oder gar zu analysieren. Unabhängig davon ist jedoch die Verwendung von EC, jedenfalls in größeren Anteilen, als Lösemittel für den Elektrolyten aus den vorgenannten Gründen ungeeignet.Whether an accumulator of the aforementioned materials is actually topcoat-free, may be doubted. The increase in resistance from 3 Ω to 3.2 Ω after 150 cycles is certainly no proof of this. Because there are quite good ion-conductive cover layers; it is extremely difficult to track down or even analyze. Regardless, however, the use of EC, at least in larger proportions, as a solvent for the electrolyte for the above reasons unsuitable.
Erfindungsgemäß - und völlig überraschend - wurde festgestellt, dass andere, in Kombination mit anderen Anodenmaterialien bereits früher eingesetzte Lösungsmittel dann zu einem ausgezeichneten Zykelverhalten elektrochemischer Bauelemente wie z.B. Lithiumakkumulatoren - und insbesondere von derartigen elektrochemischen Bauelementen mit Lithiumtitanat als Bestandteil der Anode - bei sehr guter Temperaturstabilität führen, wenn ein Lösemittelgemisch eingesetzt wird, in welchem mindestens ein Lösemittel-Bestandteil in einem Anteil von höchstens 10 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des fertiggestellten Elektrolyten, vorhanden ist. Dieses Lösemittel wird nachstehend zur Unterscheidung als Additiv oder Lösemittel-Additiv bezeichnet. Vorzugsweise ist ein oder sind mehrere solcher Additive in Mengen von jeweils maximal 5 Vol.-% vorhanden, noch stärker bevorzugt von maximal 2 Vol.-% und am stärksten bevorzugt von maximal 1 Vol.-%, jeweils bezogen auf das Volumen des fertigen Elektrolyten. Die Gesamtmenge der Additive sollte 15 Vol.-% vorzugsweise 10 Vol.-%, stärker bevorzugt 5 Vol.-% und ganz besonders bevorzugt 2 Vol.-% nicht übersteigen. In der Regel ist ein Additiv ausreichend; gegebenenfalls können aber auch zwei oder sogar noch mehr Additive zugesetzt werden. Die Hauptkomponente(n) des Lösemittels ist/sind dabei nicht kritisch oder beschränkt, mit Ausnahme der Tatsache, dass Ethylencarbonat nicht eingesetzt werden soll. Alle sonstigen Carbonate und insbesondere cyclische Carbonate wie PC oder symmetrische oder asymmetrische, ggf. disubstituierte Carbonate wie Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Ethylmethylcarbonat (EMC) können eingesetzt werden, des Weiteren andere Lösemittel wie Lactone, d.h. cyclische Ester, darunter insbesondere γ-Butyrolacton, und sogenannte ionische Flüssigkeiten, d. h. Salze, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Bei der Hauptkomponente kann es sich um nur ein Lösemittel handeln, beispielsweise (und bevorzugt) GBL. Es lassen sich aber auch 2 oder sogar 3 oder noch mehr Lösemittel miteinander mischen, z. B. GBL und PC oder GBL und DMC und DEC, oder PC und EMC. In diesen Mischungen sind die Komponenten in gleichen (Gewichts-) Anteilen oder in einem beliebigen Verhältnis enthalten, mit der Maßgabe, dass der Anteil keines der Lösemittel den Kriterien für das Additiv entspricht.According to the invention - and completely surprisingly - it has been found that other solvents previously used in combination with other anode materials then lead to excellent cycle behavior of electrochemical components such as lithium batteries - and in particular of such electrochemical components with lithium titanate as part of the anode - with very good temperature stability when a solvent mixture is used, in which at least one solvent component in a proportion of at most 10 vol .-%, based on the volume of the finished electrolyte, is present. This solvent will be referred to hereinafter as an additive or solvent additive. Preferably, one or more such additives are present in amounts of no more than 5% each by volume, even more preferably at most 2% by volume, and most preferably at most 1% by volume, each based on the volume of the final electrolyte , The total amount of the additives should not exceed 15% by volume, preferably 10% by volume, more preferably 5% by volume and most preferably 2% by volume. In general, an additive is sufficient; if appropriate, however, it is also possible to add two or even more additives. The major component (s) of the solvent is / are not critical or limited except for the fact that ethylene carbonate should not be used. All other carbonates and especially cyclic carbonates such as PC or symmetrical or asymmetric, optionally disubstituted carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) or ethyl methyl carbonate (EMC) may be used, as well as other solvents such as lactones, ie cyclic esters, including in particular γ-butyrolactone, and so-called ionic liquids, ie salts which are liquid at room temperature. The major component may be only a solvent, for example (and preferably) GBL. But it can also be 2 or even 3 or more solvents mixed together, z. GBL and PC or GBL and DMC and DEC, or PC and EMC. In these mixtures, the components are contained in equal (weight) proportions or in any proportion, with the proviso that the proportion of none of the solvents meets the criteria for the additive.
Bei Verwendung von Gamma-Butyrolacton als Lösemittel ist die gegenüber Graphit deutlich positivere Lithiumeinlagerungsspannung bei Lithiumtitanat von entscheidendem Vorteil. Dies verhindert von vorn herein eine ausgeprägte Elektrolytzersetzung. Durch die Zugabe mindestens eines Additivs zum GBL konnte überraschenderweise jedoch eine weitere Verbesserung des Zykelverhaltens erreicht werden, obwohl zunächst keine Deckschichtbildung auf der Oberfläche des negativen Elektrodenmaterials erwartet wurde. Gleiches gilt bei der Verwendung anderer Lösemittel als GBL. Dadurch wird ein hochstabiles Lade-/Entladeverhalten auch bei hohen Zyklenzahlen sichergestellt.When gamma-butyrolactone is used as the solvent, the significantly higher lithium incorporation voltage compared to graphite is of decisive advantage with lithium titanate. This prevents from the outset a pronounced electrolyte decomposition. By adding at least one additive to the GBL, however, a further improvement in the Zykelverhaltens could surprisingly be achieved, although initially no top layer formation on the surface of the negative electrode material was expected. The same applies when using solvents other than GBL. This ensures a highly stable charge / discharge behavior even at high cycle numbers.
Als Additive kommen vor allem folgende Verbindungen in Frage: Vinylencarbonat, Ethylensulfit, Acrylonitril, Vinylethylencarbonat. Aber auch andere gängige Lösemittel könnten eingesetzt werden, darunter auch EC, das als Lösemittel-Hauptkomponente erfindungsgemäß nicht in Betracht kommt (wenn EC in geringen Mengen eingesetzt wird, werden dessen negative Eigenschaften durch entsprechende positive Eigenschaften der eingesetzten Lösemittel mehr als kompensiert). Besondere Vorteile bietet die unkomplizierte Zumischung von flammhemmenden Lösungsmitteln bzw.Particularly suitable additives are the following compounds: vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile, vinyl ethylene carbonate. However, other common solvents could be used, including EC, which is not considered according to the invention as the main solvent component (when EC is used in small amounts, its negative properties are more than compensated by corresponding positive properties of the solvent used). Special advantages are the uncomplicated admixture of flame retardant solvents or
Additiven wie beispielsweise fluorierten organischen Carbonaten. Des Weiteren besteht die Möglichkeit der Zumischung von Additiven zur Verhinderung einer Überladung, die nach einem so genannten „Shuttle"-Mechanismus arbeiten. Dies sind Verbindungen, die durch Redox-Reaktionen in der Lage sind, Elektronen zwischen Anode und Kathode zu transportieren. Beispiele sind: 2,4-Difluoroanisol, Biphenyl, 3-Chlorothiophen oder Furan.Additives such as fluorinated organic carbonates. Furthermore, there is the possibility of admixing additives to prevent overcharging, which operate according to a so-called "shuttle" mechanism, which are compounds that are able to transport electrons between the anode and the cathode by means of redox reactions : 2,4-difluoroanisole, biphenyl, 3-chlorothiophene or furan.
Eine weitere Verbesserung der Zyklenstabilität konnte durch die Ersetzung des standardmäßig in Lithiumionen-Batterien als Leitsalz verwendeten LiPF6 durch LiBF4 erreicht werden. Weitere einsetzbare Leitsalze sind LiCIO4, Lithium[bis(oxalato)borat] („LiBOB") oder Lithiumtrifluormethansulfonat. Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Kombination von GBL mit LiBF4 ist die Wirtschaftlichkeit dieser Elektrolyten. GBL ist leicht zu synthetisieren und wird in der chemischen Industrie bereits seit längerem als Lösemittel eingesetzt. Auch das Leitsalz ist deutlich kostengünstiger als das bisher meist verwendete LiPF6.A further improvement in cycle stability could be achieved by replacing the LiPF 6 LiBF 4 used by default in lithium-ion batteries as conductive salt. Further useful conductive salts are LiCIO 4 , lithium [bis (oxalato) borate] ("LiBOB") or lithium trifluoromethanesulfonate A particular advantage of using a combination of GBL with LiBF 4 is the economics of these electrolytes GBL is easy to synthesize and is used in the Chemicals have long been used as solvents, and conductive salts are also much cheaper than the most widely used LiPF 6 .
Eine besondere Herausforderung stellt die Verarbeitung von Lithiumtitanat in Folienbatterien dar. Lithiumtitanat ist sowohl ein elektronischer Isolator als auch ein schlechter lonenleiter. Die Einbettung in die Polymermatrix muss deshalb über die Matrix die erforderlichen Leitfähigkeiten gewährleisten. Die elektronische Leitfähigkeit kann durch die Zugabe von Leitfähigkeitsrußen erreicht werden. Die ionische Leitfähigkeit der Matrix kann auf zwei Wegen hergestellt werden: (1 ) Die Herstellung der Folie erfolgt z.B. aus einer pastösen Masse unter Einstellung eines hohen Grades an Mikroporen, die sich anschließend - nach Verfestigen der Masse - durch Imprägnieren mit einem in einem Lösemittel gelösten Lithiumsalz vollsaugen und so die lonenleitfähigkeit herstellen. (2) Ein geeignetes Bindemittel wie z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) entwickelt nach der Imprägnierung mit einer geeigneten Lösung eines Lithiumsalzes eine ausreichende lonenleitfähigkeit. Eine Kombination aus den Möglichkeiten (1 ) und (2) kann ebenfalls zielführend sein.A particular challenge is the processing of lithium titanate in foil batteries. Lithium titanate is both an electronic insulator and a poor ion conductor. The embedding in the polymer matrix must therefore over the Matrix to ensure the required conductivities. The electronic conductivity can be achieved by the addition of conductive carbon blacks. The ionic conductivity of the matrix can be produced in two ways: (1) The film is produced, for example, from a pasty mass with the setting of a high degree of micropores, which are then - after solidification of the mass - impregnated with a solution dissolved in a solvent Soak up lithium salt to produce ionic conductivity. (2) A suitable binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) develops sufficient ionic conductivity after being impregnated with a suitable solution of a lithium salt. A combination of options (1) and (2) can also be effective.
Die einzelnen Batterie- oder Akkumulatorschichten oder -folien werden häufig aus Pasten erzeugt. Die Zusammensetzung einer Paste als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Folien für die negative Elektrode in Lithiumakkumulatoren mit einem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anodenmaterial als Interkalationsmatehal ist aufgrund der voranstehenden Überlegungen daher vorzugsweise wie folgt zu wählen: das genannte Anodenmaterial, ein elektronenleitendes Material wie Leitfähigkeitsruß, dazu ggf. ein (ionisch vorzugsweise nichtleitender) Polymerbinder. Diese Materialien werden mit einem geeigneten Lösemittel (das häufig unter Lösemitteln ohne Plastifizierungseigenschaften, z.B, Aceton, gewählt wird), vermengt. Dabei entsteht eine Paste, die sehr sorgfältig verrührt werden muss, um eine hochgradig gleichmäßige Verteilung der Komponenten zu erreichen, ohne dass Sedimentation oder Schlierenbildung eintritt. Nach dem Rühren und Ausstreichen der Pasten auf eine Unterlage oder in ein Trägergewebe und dem (aktiven oder passiven) Abtrocknen/Abdampfenlassen des Lösemittels wird eine trägergestützte oder - vorzugsweise - selbsttragende Folie erhalten, die mit den Folien für Gegenelektrode und Separator/Elektrolyt zu einem Folienakkumulator weiterverarbeitet werden kann. Alternativ zu einem nichtleitenden Polymerbinder kann natürlich ein ionenleitender Polymerbinder oder ein nicht ionenleitender Polymerbinder in Kombination mit Elektrolytflüssigkeit für die Herstellung der Paste eingesetzt werden.The individual battery or accumulator layers or foils are often made from pastes. The composition of a paste as starting material for the production of films for the negative electrode in lithium batteries with an inventively proposed anode material as Interkalationsmatehal is therefore to be chosen as follows due to the above considerations: the said anode material, an electron-conducting material such as conductivity soot, if necessary, a ( preferably non-conductive ionic) polymer binder. These materials are blended with a suitable solvent (often chosen from solvents without plasticizing properties, e.g., acetone). This produces a paste that must be stirred very carefully to achieve a highly uniform distribution of the components without sedimentation or streaking occurring. After stirring and spreading the pastes on a substrate or carrier fabric and allowing the solvent to dry off / evaporate (actively or passively), a supported or preferably self-supporting film is obtained which, with the counter electrode and separator / electrolyte films, becomes a film accumulator can be further processed. As an alternative to a non-conductive polymer binder, it is of course possible to use an ion-conducting polymer binder or a non-ion-conducting polymer binder in combination with electrolyte liquid for the preparation of the paste.
Materialien für die positive Elektrode sind dem Fachmann bekannt, als Beispiele seien genannt:Materials for the positive electrode are known to the person skilled in the art, examples being:
LiF, LixNiVO4, LixMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, LiNio,5Co0,5O2, LiNio,8Co0,2O2, V2O5, LixV6Oi3, LiFePO4.LiF, Li x NiVO 4 , Li x Mn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNio, 5 Co 0 , 5O 2 , LiNio, 8 Co 0 , 2 O 2 , V 2 O 5 , Li x V 6 Oi 3 , LiFePO 4 .
Als Materialien für die Ableitelektroden kommen für die positive Elektrode in Frage: AI, Cu, Pt, Au, C. Für die negative Elektrode eignen sich z. B. AI, Cu, Mo, W, Ti, V, Cr, Ni. In der Regel werden Lithium-Polymer-Akkumulatoren dann, wenn sie unter Verwendung einer ionisch nicht leitenden Polymermatrix hergestellt wurden, die einen Separator zwischen den Elektroden bildet, ggf. aber auch in den Elektrodenfolien vorhanden ist, mittels Imprägnierung in einer Flüssigelektrolytmischung, bestehend aus einem oder mehreren Lösemitteln und einem Lithiumsalz, aktiviert, um den erforderlichen lonentransport zwischen den Elektroden zu gewährleisten. Diese Flüssigkeit bestimmt entscheidend den Aufbau der Deckschichten auf dem Anodenmaterial. Graphit weist eine Lithiumaktivität nahe 1 bei einer Spannung um 0 V gegen Lithium auf, während Lithiumtitanat bei einer Spannung von ca. 1 ,5 V gegen Lithium eine nur geringeSuitable materials for the discharge electrodes are for the positive electrode: Al, Cu, Pt, Au, C. For the negative electrode z. B. Al, Cu, Mo, W, Ti, V, Cr, Ni. In general, lithium polymer accumulators are, if they were prepared using an ionically non-conductive polymer matrix, which forms a separator between the electrodes, but possibly also in the electrode films, by impregnation in a liquid electrolyte mixture consisting of a or more solvents and a lithium salt, activated to ensure the required ion transport between the electrodes. This liquid decisively determines the structure of the cover layers on the anode material. Graphite has a lithium activity close to 1 at a voltage around 0 V against lithium, while lithium titanate at a voltage of about 1, 5 V against lithium only a small
Lithiumaktivität hat. Dieses hat wie bereits beschrieben zur Folge, dass der Aufbau von Deckschichten, die sich wie ein Festelektrolyt verhalten müssen, unterschiedlich sein werden. Damit ist die Ausgangssituation für die Wahl der Elektrolytmischungen für Titanatzellen und dgl. eine völlig andere als die für die Wahl in graphit-/ kohlenstoffbasierten Systemen. In graphitbasierten Systemen ist Ethylencarbonat trotz seiner Nachteile hinsichtlich des brauchbaren Temperaturbereichs ein unverzichtbarer Bestandteil der Aktivierungslösung, da es für die Stabilisierung des SEI auf dem Graphit erforderlich ist. In GBL gelöstes LiBF4 ist ein Beispiel für eine wesentlich einfachere Mischung zur Anwendung in Lithiumtitanat-basierten Akkumulatoren. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil, der sich daraus ergibt, ist das sich ergebende gute Tieftemperatur- und Hochtemperaturverhalten.Has lithium activity. As already described, this has the consequence that the construction of cover layers, which must behave like a solid electrolyte, will be different. Thus, the starting point for the choice of electrolyte mixtures for titanium cells and the like. A completely different than that for the choice in graphite / carbon-based systems. In graphite-based systems, despite its disadvantages in terms of useful temperature range, ethylene carbonate is an indispensable component of the activating solution because it is required for the stabilization of the SEI on the graphite. LiBF 4 dissolved in GBL is an example of a much simpler mixture for use in lithium titanate based accumulators. Another significant advantage that results is the resulting good low temperature and high temperature performance.
Die geringe Empfindlichkeit Lithiumtitanat-basierter Zellen gegenüber leichter Überladung gestattet eine deutlich einfachere Hintereinanderschaltung mehrerer Zellen zur Erzielung erhöhter Spannungen als 2,3 V. Fertigungsbedingte Schwankungen in der Kapazität bei der Herstellung der Einzelzellen erfordern bei graphitbasierten Zellen aus Sicherheitsgründen beim Beladen eine Einzellenüberwachung. Diese Empfindlichkeit ist bei Lithiumtitanat-basierten Zellen nicht vorhanden, so dass eine aufwändige Einzelzellen-Überwachung entfallen kann, es reicht gegebenenfalls eine einfache Zenerdiode.The low sensitivity of lithium titanate-based cells to light overcharge allows a much simpler series connection of several cells to achieve elevated voltages than 2.3 V. Production-related fluctuations in capacity in the production of single cells require in graphite-based cells for safety reasons when loading a single cell monitoring. This sensitivity is not present in lithium titanate-based cells, so that a complex single-cell monitoring can be omitted, it is sufficient if necessary, a simple Zener diode.
BeispieleExamples
Es wurden Zellen mit Lithiumtitanat in der negativen Elektrode sowie mit Gamma- Butyrolacton basiertem Elektrolyten hergestellt und auf Zykelverhalten, Ladefaktor, Kapazitätsverlust beim Formieren hin getestet. 1 . Positive ElektrodeCells were prepared with lithium titanate in the negative electrode as well as with gamma-butyrolactone-based electrolyte and tested for cycle behavior, charge factor, capacity loss on formation. 1 . Positive electrode
Zur Herstellung wurden PVDF als Binder (Kynar LBG 2) in Aceton gelöst. In diese Lösung wurde dann Lithiumkobaltoxid-Pulver, Graphit und Acetylenruß 5 beigegeben und das Ganze mit einem Rührwerk innig vermischt und zu einer viskosen, gleichmäßigen Paste verarbeitet. Diese Paste wurde anschließend mit einem Rakel auf einer Glasplatte gezogen und das Lösemittel abgedampft. Die so gefertigte Folie hatte eine Dicke von ca. 0,1 mm.For preparation PVDF were dissolved as a binder (Kynar LBG 2) in acetone. Lithium cobalt oxide powder, graphite and acetylene black 5 were then added to this solution, and the mixture was intimately mixed with a stirrer and made into a viscous, uniform paste. This paste was then drawn with a squeegee on a glass plate and the solvent evaporated. The film thus produced had a thickness of about 0.1 mm.
lo 2. Negative Elektrodelo 2. Negative electrode
Es wurde der gleiche Binder PVDF (Kynar LBG 2) in Aceton gelöst. Danach wurden Li4Ti5O^, Graphit und Acetylenruß zugegeben und dann innig miteinander vermischt. Diese Paste wurde anschließend mit einem Rakel auf einer Glasplatte gezogen und das Lösemittel abgedampft. Die so gefertigte Folie hatte eine Dicke i5 von ca. 0,1 mm.The same binder PVDF (Kynar LBG 2) was dissolved in acetone. Thereafter, Li 4 Ti 5 O 3 , graphite and acetylene black were added and then intimately mixed. This paste was then drawn with a squeegee on a glass plate and the solvent evaporated. The film produced in this way had a thickness i5 of approx. 0.1 mm.
3. Separator (Festkörperionenleiter)3. Separator (solid-state ion conductor)
Für die Separatorlage wurden 75 Gew.% Lii,3Alo,3Tii,7(PO4)3-Pulver innig mit in Aceton gelöstem PVDF (25 Gew.%) vermischt und zu einer Folie ausgezogen, mit 20 einer Dicke von ca. 50 μm.For the Separatorlage 75 wt.% Lii , 3 Alo , 3 Tii , 7 (PO 4 ) 3 powder were intimately mixed with dissolved in acetone PVDF (25 wt.%) And pulled to a film, with a thickness of 20 50 μm.
4. Elektrolyt (Vergleichsbeispiel)4. Electrolyte (comparative example)
Als Referenz wurde eine Standardelektrolytmischung LP30 (1 M LiPF6 in EC/DMC) in Testzellen eingesetzt.As a reference, a standard electrolyte mixture LP30 (1 M LiPF 6 in EC / DMC) was used in test cells.
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5. Elektrolyt5. electrolyte
Es wurde eine 1 M Lösung des Leitsalzes LiPF6 in Gamma-Butyrolacton hergestellt.A 1 M solution of the conductive salt LiPF 6 in gamma-butyrolactone was prepared.
so 6. Elektrolytso 6. electrolyte
In einer weiteren Variante wurde das LiPF6 ersetzt durch LiBF4, welches ebenfalls als 1 M Lösung in GBL hergestellt wurde.In another variant, the LiPF 6 was replaced by LiBF 4 , which was also prepared as a 1 M solution in GBL.
7. Elektrolyt mit Additiv7. Electrolyte with additive
35 Zu der in Beispiel 6 genannten Elektrolytmischung wurde nun ein Additiv zugegeben, hier 1 Volumenprozent Vinylencarbonat (VC). 8. Aktivierung35 To the electrolyte mixture mentioned in Example 6, an additive was added, here 1 volume percent vinylene carbonate (VC). 8. Activation
Aus positiver Elektrode, Separator/Festkörperelektrolyt und negativer Elektrode wurden jeweils Folienkörper laminiert, die mit Elektrolyten gemäß den Beispielen 5 4 bis 7 imprägniert wurden. Anschließend wurden die Zellen in einer kunststoffbeschichteten Aluminiumfolie eingeschweißt und mehrere Stunden bei Temperaturen von 600C getempert.The positive electrode, separator / solid electrolyte and negative electrode were respectively laminated to film bodies, which were impregnated with electrolytes according to Examples 5 4 to 7. Subsequently, the cells were sealed in a plastic-coated aluminum foil and annealed at temperatures of 60 0 C for several hours.
Es wurden Zellen in diesen Technologievarianten mit identischen Elektroden bzw. lo Separator gemäß den Beispielen 1 bis 3 gebaut. Diese wurden dann mitCells were built in these technology variants with identical electrodes or lo separator according to Examples 1 to 3. These were then with
Elektrolytmischungen gemäß den Beispielen 4 bis 7 getränkt und im Bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften hin verglichen. Zunächst wurde eine Testzelle mit dem Elektrolyt gemäß Beispiel 4 realisiert. Dabei zeigte sich eine sehr gute Zykelfestigkeit bei allerdings einem beschränkten Temperatureinsatzbereich der Zellen. Unterhalb von i5 -100C sinkt die entnehmbare Kapazität deutlich ab, während bei Temperaturen oberhalb von 70°C verstärkt Gasbildung in der Zelle zu beobachten ist. Als nächstes wurde eine Testzelle mit der Elektrolytmischung gemäß Beispiel 5 hergestellt. Abbildung 2 zeigt, dass diese Zelle ein unbefriedigendes Zykelverhalten aufweist. Nach Austausch des Leitsalz gemäß Beispiel 6 ergab sich bereits eine deutliche Verbesserung, die ebenfallsElectrolyte mixtures according to Examples 4 to 7 soaked and compared in terms of their electrical properties out. First, a test cell with the electrolyte according to Example 4 was realized. In this case, a very good Zykestestigkeit showed, however, a limited temperature range of use of the cells. Below i5 -10 0 C, the removable capacity drops markedly, while at temperatures above 70 ° C increased gas formation is observed in the cell. Next, a test cell was prepared with the electrolyte mixture according to Example 5. Figure 2 shows that this cell has unsatisfactory Zykelverhalten. After replacing the electrolyte salt according to Example 6, there was already a significant improvement, which also
20 in Abbildung 2 dargestellt ist. Durch Zugabe von 1 Vol.-% VC gemäß Beispiel 7 zur Elektrolytmischung ergab sich bei Raumtemperatur ein sehr gutes Zykelverhalten, das demjenigen bei der Verwendung von LP30 entspricht. Die Verwendung von GBL als hauptsächlichem Lösemittel erweitert jedoch den Temperatureinsatzbereich der Zellen erheblich. In Abbildung 3 bzw. Abbildung 4 sind Zykelresultate bei -300C bzw. bei20 is shown in Figure 2. The addition of 1% by volume of VC according to Example 7 to the electrolyte mixture gave a very good cycle behavior at room temperature, which corresponds to that with the use of LP30. However, the use of GBL as the major solvent greatly extends the temperature range of use of the cells. In Figure 3 and Figure 4 are Zykelresultate at -30 0 C or at
25 Temperaturen zwischen +60°C und 85°C gezeigt. Sowohl bei tiefen Temperaturen als auch bei hohen Temperaturen ist ein stabiles Zykeln mit akzeptablen bzw. sehr guten Entladekapazitäten möglich. Darüber hinaus ist ein überraschend nah bei 1 liegender Ladefaktor festzustellen, der anzeigt, dass die elektronischen Leckströme bzw. irreversible Lithiumverluste in diesen Zellen vernachlässigbar sind. Auch bei25 temperatures between + 60 ° C and 85 ° C shown. Both at low temperatures and at high temperatures, a stable cycle with acceptable or very good discharge capacities is possible. In addition, a surprisingly close to 1 lying charge factor is found, indicating that the electronic leakage currents or irreversible lithium losses in these cells are negligible. Also at
30 aggressiverem Zykeln mit einer Ladung- bzw. Entladung pro Stunde (1 C) ist die Abnahme gegenüber der theoretischen Kapazität relativ gering, es werden 84% und mehr der theoretischen Kapazität erreicht. Resultate einzelner Zellen zeigt Tabelle 2. Die Be-/Entladung mit C/10 bedeutet, dass dieser Prozess über jeweils 10 Stunden durchgeführt wird. Of more aggressive cycles with one charge / discharge per hour (1 C), the decrease relative to the theoretical capacity is relatively small, reaching 84% and more of the theoretical capacity. Results of individual cells are shown in Table 2. The loading / unloading with C / 10 means that this process is carried out for every 10 hours.
Figure imgf000014_0001
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Tabelle 2Table 2
Figur 1 zeigt die Lade- und Entladekurve bei 1C einer Zelle mit Lithiumtitanat in der negativen Elektrode sowie einer Mischung von GBL mit 1 M LiBF4 und 1 Vol.-% VC als Elektrolyt. Die Lade- bzw. Entladekurve ist hochgradig symmetrisch im Bezug auf Lade- / Entladekapazität, es treten nur sehr geringe irreversible Verluste auf (0.08%).Figure 1 shows the charge and discharge curve at 1C of a cell with lithium titanate in the negative electrode and a mixture of GBL with 1 M LiBF 4 and 1 vol .-% VC as the electrolyte. The charge / discharge curve is highly symmetrical in terms of charge / discharge capacity, with very little irreversible loss (0.08%).
Figur 2 zeigt das Zykelverhalten von Zellen, die 300 Lade-/Entladezyklen durchlaufen haben. Die Restkapazität beträgt bei Verwendung eines Elektrolyten aus GBL mit 1 M LiBF4 und 1 Vol.-% VC nach 300 Zyklen noch 87% der Ausgangskapazität bei 1 C. Die Referenzzelle mit Standardelektrolyt LP30 ist nahezu identisch mit dessen Zykelkurve.Figure 2 shows the Zykelverhalten of cells that have undergone 300 charge / discharge cycles. The residual capacity is still 87% of the initial capacity at 1 C after using an electrolyte of GBL with 1 M LiBF 4 and 1% by volume VC after 300 cycles. The reference cell with standard electrolyte LP30 is almost identical to its cycle curve.
Figur 3 zeigt ein Zykelexperiment bei einer Temperatur von -300C mit einer Elektrolytmischung gemäß Beispiel 5. Auf dem Niveau von ca. 11 % der Kapazität bei Raumtemperatur ist ein stabiles Zykeln mit C/2 zu beobachten.Figure 3 shows a Zykelexperiment at a temperature of -30 0 C with an electrolyte mixture according to Example 5. At the level of about 11% of the capacity at room temperature, a stable Zyklen with C / 2 is observed.
Figur 4 zeigt Zykelergebnisse bei schrittweise erhöhten Temperaturen zwischen +600C und +80°C mit einer Elektrolytmischung gemäß Beispiel 5. Es sind nur geringe Kapazitätsverluste zu erkennen und die Zellen zeigen selbst bei 800C keine Gasbildung.Figure 4 shows Zykelergebnisse at gradually elevated temperatures between +60 0 C and + 80 ° C with an electrolyte mixture according to Example 5. There are only small capacity losses can be seen and the cells show no gas formation even at 80 0 C.
Figur 5 Zellen mit einer Elektrolytmischung gemäß Beispiel 5 wurden zeitweilig (zwischen 1 und 5 Stunden) auf eine Temperatur von 100°C aufgeheizt und anschließend bei Raumtemperatur weitergezykelt. Die Temperaturbehandlung hat nur geringe Kapazitätsverluste zur Folge.Figure 5 cells with an electrolyte mixture according to Example 5 were temporarily (between 1 and 5 hours) heated to a temperature of 100 ° C and then weitergezykelt at room temperature. The temperature treatment results in only small capacity losses.
Die voranstehend beschriebene Elektrolytmischung ist unabhängig davon, ob sie als solche vorliegt oder in Verbindung mit einer Elektrode, insbesondere einer Elektrode des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Typs, einem Schichtverbund, der die Eigenschaften eines elektrochemischen Bauelements besitzt, oder einem elektrochemischen Bauelement als solchem, beispielsweise einem Lithiumakkumulator, eingesetzt wird, in allen Fällen vorzugsweise wie folgt charakterisiert:The electrolyte mixture described above is independent of whether it is present as such or in conjunction with an electrode, in particular an electrode of the type proposed according to the invention, a composite layer, which has the properties of an electrochemical device, or a electrochemical device as such, for example a lithium battery, is used, in all cases preferably characterized as follows:
Elektrolytmischung, gekennzeichnet dadurch, dass ein Leitsalz in einem Gemisch aus mindestens einem Lösemittel und mindestens einem Additiv gelöst wird, wobeiElectrolyte mixture, characterized in that a conductive salt is dissolved in a mixture of at least one solvent and at least one additive, wherein
(a) ein oder mehrere Lösemittel verwendet werden, die nicht Ethylencarbonat umfassen,(a) one or more solvents are used which do not comprise ethylene carbonate,
(b) ein Leitsalz eingesetzt wird, das für die Anwendung in elektrochemischen Bauelementen mit Lithiumionen-Ieitung geeignet ist, und (c) dass jedes Additiv in einer Konzentration von höchstens 10(b) employing a conducting salt suitable for use in lithium ion-conducting electrochemical devices, and (c) each additive in a concentration of at most 10
Volumenprozent vorhanden ist.Volume percent is present.
In dieser Elektrolytmischung weist das Lösemittel oder das Lösemittelgemisch vorzugsweise einen Schmelzpunkt von unter 25°C, stärker bevorzugt von unter 00C und noch stärker bevorzugt von unter -15°C auf und/oder besitzt einen Siedepunkt von vorzugsweise über 1000C, stärker bevorzugt von über 1500C und ganz besonders bevorzugt von ca. 200°C oder darüber. In dieser Elektrolytmischung kann das Leitsalz ein Lithiumsalz sein, dessen Anion das Anion einer Säure ist, z.B. LiPF6, wobei dieses Anion insbesondere ausgewählt ist unter Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat, Lithium[bis(oxalato)borat] („LiBOB") oder Lithiumtrifluormethansulfonat oder Mischungen von mindestens zweien dieser Salze.In this electrolyte composition, the solvent or the solvent mixture preferably has a melting point of below 25 ° C, more preferably below 0 0 C, and even more preferably less than -15 ° C and / or has a boiling point preferably above 100 0 C, more preferably above 150 0 C and most preferably from about 200 ° C or above. In this electrolyte mixture, the conductive salt may be a lithium salt whose anion is the anion of an acid, eg LiPF 6 , this anion being selected in particular from lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium [bis (oxalato) borate] ("LiBOB") or lithium trifluoromethanesulfonate or mixtures of at least two of these salts.
In dieser Elektrolytmischung kann das eine oder können die mehreren Lösemittel ausgewählt sein unter organischen Carbonaten und Lactonen. Bevorzugt ist eines der Lösemittel γ-Butyrolacton.In this electrolyte mixture, the one or more solvents may be selected from organic carbonates and lactones. Preferably, one of the solvents is γ-butyrolactone.
In dieser Elektrolytmischung kann mindestens ein Additiv ausgewählt sein unter Vinylencarbonat, Ethylensulfit, Acrylonitril und Vinylethylencarbonat. Dabei ist Vinylencarbonat besonders bevorzugt.In this electrolyte mixture, at least one additive may be selected from vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile and vinyl ethylene carbonate. Vinylene carbonate is particularly preferred.
Die vorgenannte Elektrolytmischung als solche bzw. in ihren fakultativen, hervorgehobenen bzw. als bevorzugt genannten Ausgestaltungen kann in einem elektrochemischen Bauelement verwendet werden, das vorzugsweise eine lithiumtitanathaltige negative Elektrode aufweist, die insbesondere weiterhin ein elektronenleitendes Material enthält. Bei diesem Material kann es sich um ein leitendes Kohlenstoffmaterial, beispielsweise Ruß, handeln. The abovementioned electrolyte mixture as such or in its optional, highlighted or preferred embodiments can be used in an electrochemical component which preferably has a lithium titanium-containing negative electrode, which in particular also contains an electron-conducting material. This material may be a conductive carbon material, such as carbon black.

Claims

Ansprüche: Claims:
1 . Für elektrochemische Bauelemente vorgesehener Schichtverbund, umfassend:1 . Layer composite intended for electrochemical components, comprising:
(a) eine positive Elektrode mit einem Material, das für den Einsatz in der 5 positiven Elektrode von Lithiumakkumulatoren geeignet ist,(a) a positive electrode with a material suitable for use in the positive electrode of lithium batteries,
(b) eine negative Elektrode, die ein lithium- und/oder titanhaltiges Material oder ein sonstiges Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ enthält,(b) a negative electrode comprising a lithium and / or titanium containing material or other anode material having a lithium storage potential between 1, 0 and 2.0 volts. Contains Li / Li + ,
(c) eine Trennschicht zwischen positiver und negativer Elektrode als lo Separatorschicht oder Festkörperelektrolytschicht(c) a separating layer between positive and negative electrodes as a separator layer or solid electrolyte layer
(d) eine Elektrolytmischung, umfassend ein Leitsalz, das in einem Gemisch aus mindestens einem Lösemittel und mindestens einem Lösemittel-Additiv gelöst ist, wobei(d) an electrolyte mixture comprising a conductive salt dissolved in a mixture of at least one solvent and at least one solvent additive, wherein
(i) diese Elektrolytmischung ein oder mehrere Lösemittel enthält, die i5 nicht Ethylencarbonat umfassen, wobei jedes dieser Lösemittel in einer Menge von mindestens 10 Volumenprozent, bezogen auf das(i) this electrolyte mixture contains one or more solvents which do not comprise ethylene carbonate, each of these solvents being in an amount of at least 10% by volume, based on the
Gesamtvolumen des fertiggestellten Elektrolyten, vorhanden ist (ii) ein Leitsalz eingesetzt wird, das für die Anwendung in elektrochemischen Bauelementen mit Lithiumionenleitung geeignet 20 ist, undTotal volume of the finished electrolyte, is present (ii) a conductive salt is suitable, which is suitable for use in electrochemical devices with lithium ion conduction 20, and
(iii) jedes Lösemittel-Additiv in einer Konzentration von höchstens(iii) any solvent additive in a concentration of at most
10 Volumenprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen des fertiggestellten Elektrolyten, vorhanden ist.10 volume percent, based on the total volume of the finished electrolyte, is present.
25 2. Schichtverbund nach Anspruch 1 , worin die negative Elektrode Lithiumtitanat, Titanoxid, insbesondere in der Kristallstruktur des Anatas, Lithiumtitansulfid (LiTiS2), Lithiummolybdänsulfid (UM0S2) oder dotierte Abkömmlinge davon enthält.2. A composite film according to claim 1, wherein the negative electrode contains lithium titanate, titanium oxide, especially in the crystal structure of the anatase, lithium titanium sulfide (LiTiS2), lithium molybdenum sulfide (UMOS2) or doped derivatives thereof.
30 3. Schichtverbund nach Anspruch 1 oder 2, worin entweder die positive Elektrode und/oder die Trennschicht und/oder die negative Elektrode eine selbsttragende oder nicht-selbsttragende Folie ist.The layered composite according to claim 1 or 2, wherein either the positive electrode and / or the release layer and / or the negative electrode is a self-supporting or non-self-supporting foil.
4. Schichtverbund nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das Lösemittel 35 oder das Gemisch aus den mehreren Lösemitteln der Elektrolytmischung einen4. Laminate according to one of the preceding claims, wherein the solvent 35 or the mixture of the plurality of solvents of the electrolyte mixture a
Schmelzpunkt von unter 25°C, vorzugsweise von unter 00C und stärker bevorzugt von unter -15°C aufweist und/oder einen Siedepunkt von über 1000C, vorzugsweise von über 1500C und ganz besonders bevorzugt von ca. 200°C oder darüber besitzt. Melting point of below 25 ° C, preferably below 0 0 C and more preferably below -15 ° C and / or has a boiling point of about 100 0 C, preferably of about 150 0 C and most preferably of about 200 ° C. or above.
5. Schichtverbund nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitsalz der Elektrolytmischung ein Lithiumsalz ist, dessen Anion das Anion einer Säure ist, insbesondere ausgewählt unter5. Laminate according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive salt of the electrolyte mixture is a lithium salt whose anion is the anion of an acid, in particular selected from
5 Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat, Lithium[bis(oxalato)borat] („LIBOB") oder Lithiumtrifluormethansulfonat oder Mischungen von mindestens zweier dieser Salze.5 Lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium [bis (oxalato) borate] ("LIBOB") or lithium trifluoromethanesulfonate or mixtures of at least two of these salts.
6. Schichtverbund nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das eine oder lo die mehreren Lösemittel der Elektrolytmischung ausgewählt ist/sind unter organischen Carbonaten und Lactonen, und insbesondere γ-Butyrolacton ist.6. A laminate according to any one of the preceding claims, wherein the one or more of the plurality of solvents of the electrolyte mixture is / are selected from organic carbonates and lactones, and in particular γ-butyrolactone.
7. Schichtverbund nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin das mindestens eine Lösemittel-Additiv der Elektrolytmischung ausgewählt ist unter i5 Vinylencarbonat, Ethylensulfit, Acrylonitril und Vinylethylencarbonat und insbesondere Vinylencarbonat ist.7. Laminate according to one of the preceding claims, wherein the at least one solvent additive of the electrolyte mixture is selected from i5 vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile and vinyl ethylene carbonate and in particular vinylene carbonate.
8. Verwendung eines Schichtverbund nach einem der voranstehenden Ansprüche in einem Lithium-Akkumulator, der vorzugsweise mit Ableitelektroden verbunden ist,8. Use of a layer composite according to one of the preceding claims in a lithium accumulator, which is preferably connected to lead-off electrodes,
20 wobei sich der Schichtverbund abgedichtet in einem Gehäuse befindet, aus dem20 wherein the laminate is sealed in a housing, from the
Kontaktzungen herausragen.Sticking tongues out.
9. Verfahren zum Herstellen eines Schichtverbundes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte9. A method for producing a composite layer according to any one of claims 1 to 7, comprising the steps
25 - Bereitstellen einer negativen Elektrode, die ein lithium- und/oder titanhaltiges25 - Providing a negative electrode containing a lithium and / or titanium containing
Material oder ein sonstiges Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ enthält, Bereitstellen einer Separatorschicht oder Festelektrolytschicht, Bereitstellen einer positiven Elektrode,Material or other anode material with a lithium storage potential between 1, 0 and 2.0 volts. Li / Li + contains, providing a separator layer or solid electrolyte layer, providing a positive electrode,
30 - Laminieren der genannten beiden Elektroden und der Separatorschicht oder30 - laminating said two electrodes and the separator layer or
Festelektrolytschicht derart, dass die letztenannte zwischen den beiden Elektrodenschichten liegt, unter Ausbilden eines Laminates, Imprägnieren des Laminates mit einer Elektrolytmischung wie in einem der Ansprüche 1 und 4 bis 7 definiert.Solid electrolyte layer such that the last one lies between the two electrode layers, forming a laminate, impregnating the laminate with an electrolyte mixture as defined in any one of claims 1 and 4 to 7.
35 35
10. Negative Elektrode zur Verwendung in einem Schichtverbund wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert oder in einem Lithium-Akkumulator wie in Anspruch 8 definiert oder in einem Verfahren wie in Anspruch 9 definiert, wobei die negative Elektrode aus den folgenden Bestandteilen besteht:10. Negative electrode for use in a composite layer as defined in any one of claims 1 to 7 or in a lithium secondary battery as defined in claim 8 or in a method as defined in claim 9, wherein the negative electrode consists of the following components:
5 (a) einem lithium- und/oder titanhaltigen Material oder einem sonstigen5 (a) a lithium- and / or titanium-containing material or another
Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ Lithiumtitanat,Anode material with a lithium storage potential between 1, 0 and 2.0 volts. Li / Li + lithium titanate,
(b) einem elektronenleitenden Zusatz(b) an electron-conducting additive
(c) einem ionisch nicht leitenden Polymerbinder.(c) an ionically non-conductive polymer binder.
1010
1 1 . Negative Elektrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lithium- und/oder titanhaltige Material oder das sonstige Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ ausgewählt ist unter Lithiumtitanat, Titanoxid, insbesondere der Kristallstruktur des Anatas, i5 Lithiumtitansulfid (LiTiS2), Lithiummolybdänsulfid (UM0S2) oder dotierten1 1. Negative electrode according to claim 10, characterized in that the lithium and / or titanium-containing material or other anode material with a lithium storage potential between 1, 0 and 2.0 volts. Li / Li + is selected from lithium titanate, titanium oxide, in particular the crystal structure of anatase, lithium lithium titanulphide (LiTiS 2 ), lithium molybdenum sulphide (UMOS 2 ) or doped
Abkömmlingen davon.Descendants of it.
12. Verwendung einer Elektrolytmischung, umfassend ein Leitsalz, das in einem Gemisch aus mindestens einem Lösemittel und mindestens einem Lösemittel-12. Use of an electrolyte mixture comprising a conductive salt which is dissolved in a mixture of at least one solvent and at least one solvent
20 Additiv gelöst ist, wobei20 additive is dissolved, wherein
(i) die Elektrolytmischung ein oder mehrere Lösemittel enthält, die nicht(i) the electrolyte mixture contains one or more solvents that are not
Ethylencarbonat umfassen, wobei jedes dieser Lösemittel in einer Menge von mindestens 10 Volumenprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen des fertiggestellten Elektrolyten, vorhanden ist, 25 (ii) ein Leitsalz eingesetzt wird, das für die Anwendung in elektrochemischenEthylene carbonate, each of these solvents being present in an amount of at least 10% by volume, based on the total volume of the finished electrolyte, of (ii) an electrolyte salt suitable for use in electrochemical
Bauelementen mit Lithiumionenleitung geeignet ist, und (iii) jedes Lösemittel-Additiv in einer Konzentration von höchstensLithium ion conductive devices, and (iii) any solvent additive in a concentration of at most
10 Volumenprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen des fertiggestellten Elektrolyten, vorhanden ist,10% by volume, based on the total volume of the finished electrolyte, is present,
30 in einem elektrochemischen Bauelement mit einer negativen Elektrode, die ein lithium- und/oder titanhaltiges Material oder ein sonstiges Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ enthält.30 in an electrochemical device having a negative electrode comprising a lithium and / or titanium containing material or other anode material having a lithium insertion potential between 1, 0 and 2.0 volts. Li / Li + contains.
13. Verwendung nach Anspruch 12, worin das lithium- und/oder titanhaltige Material 35 oder das sonstige Anodenmaterial mit einem Lithiumeinlagerungspotential zwischen 1 ,0 und 2,0 Volt vs. Li/Li+ ausgewählt ist unter Lithiumtitanat, Titanoxid, insbesondere in der Kristallstruktur des Anatas, Lithiumtitansulfid (LiTiS2), Lithiummolybdänsulfid (UM0S2) oder dotierten Abkömmlingen davon. 13. Use according to claim 12, wherein the lithium- and / or titanium-containing material 35 or the other anode material with a lithium storage potential between 1, 0 and 2.0 volts. Li / Li + is selected from lithium titanate, titanium oxide, especially in the crystal structure of anatase, lithium titanium sulfide (LiTiS 2), lithium molybdenum sulfide (UMOS 2) or doped derivatives thereof.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, worin das Lösemittel oder das Gemisch aus den mehreren Lösemitteln einen Schmelzpunkt von unter 25°C, vorzugsweise von unter 00C und stärker bevorzugt von unter -15°C aufweist und/oder einen14. Use according to claim 12 or 13, wherein the solvent or the mixture of the plurality of solvents has a melting point of below 25 ° C, preferably below 0 0 C and more preferably below -15 ° C and / or a
5 Siedepunkt von über 1000C, vorzugsweise von über 1500C und ganz besonders bevorzugt von ca. 200°C oder darüber besitzt.5 boiling point of about 100 0 C, preferably of about 150 0 C and most preferably of about 200 ° C or above.
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitsalz ein Lithiumsalz ist, dessen Anion das Anion einer Säure ist, lo insbesondere ausgewählt unter Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumperchlorat,15. Use according to one of claims 12 to 14, characterized in that the conductive salt is a lithium salt whose anion is the anion of an acid, lo is in particular selected from lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate,
Lithium[bis(oxalato)borat] („LiBOB") oder Lithiumtrifluormethansulfonat oder Mischungen von mindestens zweier dieser Salze.Lithium [bis (oxalato) borate] ("LiBOB") or Lithiumtrifluormethansulfonat or mixtures of at least two of these salts.
16. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, worin das eine oder die i5 mehreren Lösemittel ausgewählt sind unter organischen Carbonaten undUse according to any one of claims 12 to 15, wherein the one or more solvents are selected from organic carbonates and
Lactonen sind und insbesondere γ-Butyrolacton ist.Lactones are and in particular γ-butyrolactone.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin das mindestens eine Lösemittel-Additiv ausgewählt ist unter Vinylencarbonat, Ethylensulfit, Acrylonitril17. Use according to any one of claims 12 to 16, wherein the at least one solvent additive is selected from vinylene carbonate, ethylene sulfite, acrylonitrile
20 und Vinylethylencarbonat und insbesondere Vinylencarbonat ist. 20 and vinyl ethylene carbonate and especially vinylene carbonate.
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