WO2014090877A1 - (hetero)aromatic iso(thio)cyanates as redox shuttle additives for electrochemical cells - Google Patents

(hetero)aromatic iso(thio)cyanates as redox shuttle additives for electrochemical cells Download PDF

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WO2014090877A1
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redox
aqueous electrolyte
lithium
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Ulrich Wietelmann
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Rockwood Lithium GmbH
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a non-aqueous electrolyte of a galvanic cell containing a redox-active additive and galvanic cells containing these redox-active additives.
  • BMS electronic battery management system
  • RSA redox shuttle additives
  • the battery assembly of several single cells can be simplified in case of success, since the electronic single cell monitoring (the so-called battery management) can be largely replaced by an addition in the electrolyte.
  • the redox-active additive thus provides intrinsic protection against uncontrollable charge states.
  • Existing investigations are predominantly limited to battery cells with relatively low terminal voltage, ie cells with charging end potentials ⁇ approx. Li / Li + , for example those with LiFePO 4 as the cathode material.
  • aromatic and heteroaromatic compounds have been tested for their use as redox shuttle additives (JRDahn et al., J. Electrochem. Soc 153 (2) A445-9 (2006)).
  • 3M has been offering the compound 1 (2,5-di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene, "DDB") developed by J. Dahn (A. Xiao, 29 th Intl. Batt. Sem Exhib. March 12-15, Ft. Lauderdale, FLO, 2012).
  • DDB 2,5-di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene
  • DBB 1 has an oxidation potential of about 3.9 V and therefore, as mentioned above, is limited to the use of the cathode material lithium iron phosphate (JRDahn, J. E. Electrochem, Soc., 156 (4) A309-12 (2009)). Disadvantage of the compound 1 is furthermore the low solubility in common battery electrolytes. By introducing glycol ether moieties as in 2 (2,5-di-tert-butyl-1,4-ib / s (2-methoxyethoxy) benzene, "DBBB”), solubility increases significantly (to 0.4 M im Compared to ⁇ 0.008M for 1_).
  • DBBB 2,5-di-tert-butyl-1,4-ib / s (2-methoxyethoxy) benzene
  • Cyclic 1,3-benzodioxanes are slightly more resistant to oxidation than the noncyclic ones.
  • E ox 4.1 V is given (K. Amine, J.
  • Aromatic organophosphorus compounds such as tetraethyl-2,5-diterf-butyl-1,4-phenylenediphosphate 5 (US201 1 / 0294018A1):
  • organic isocyanates as additives for non-aqueous electrolytes.
  • phenyl isocyanate by adding 0.5-10% by weight of phenyl isocyanate, the increase of water and HF in LiPF 6 -based electrolytes is avoided, resulting in improved chemical and electrochemical stability.
  • the organic isocyanate is added to a nonaqueous electrolyte for an electrochemical cell comprising at least one fluorine-containing conductive salt in an amount effective to reduce the water content of the electrolyte (DE10042149A1).
  • R 2 and R 3 may be the same or different and may be positioned at any position of the carbons 2, 2 ', 3, 3' on the benzyl ring and may be hydrogen atoms, halogen atoms, isocyanate groups, ether groups, ester groups or alkyl groups are known (US 6,905,762 B1).
  • SEI solid electrolyte interface
  • the molar masses preferably have ⁇ 300 g / mol and can be prepared with little expense
  • the object is achieved by a non-aqueous electrolyte of a galvanic cell containing a redox-active additive, wherein the additive of a structure of the general formulas A or B
  • Y N or C
  • X 1 , X 2 independently of one another O, S or Se
  • Y N or C
  • the aromatic redox-active additive contains two NCX groups and all substituents R 1 to R 4 are not H, ie the aromatic or heteroaromatic ring is completely substituted.
  • R 1 to R 4 are not H, ie the aromatic or heteroaromatic ring is completely substituted.
  • X 1 , X 2 independently of one another O, S or Se
  • the additives according to the invention can be reversibly oxidized and reduced. This is in contrast to the known aromatic iso (thio) cyanate compounds, which are not stable to decomposition, but which decompose irreversibly when an electrochemical potential is applied outside its stability range.
  • Fig. 1 Cyclic voltammogram of 0.1 mol / LG in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode. Potential feed rate: 100 mV / s
  • Fig. 2 Cyclic voltammogram of 0.1 mol / LH in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode, potential feed rate: 10 mV / s
  • Fig. 3 Galvanostatic overload test of a LiFePO 4 / Li cell with 0.1 MW in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight). Flow rate: C / 5. 100% each
  • Fig. 4 Galvanostatic overload test of a LiMn 2 O 4 / Li cell with 0.1 MW in 1 M
  • Fig. 6 DSC test (RADEX) of LiPF 6 -electrolyte solution without inventive
  • Fig. 7 Cyclic voltammogram of 0.01 mol / LF in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode, potential feed rate: 100 mV / s.
  • compound G can be reversibly oxidized and reduced with a first oxidation potential of 4.5 V
  • the non-inventive compound H is irreversibly oxidized at 4.5 V as well.
  • the redox-active additives according to the invention can be used as overcharge protection in all galvanic cells which use non-aqueous electrolytes.
  • These are in particular all types of lithium batteries, namely lithium-ion batteries, lithium-metal or alloy-anode lithium batteries and lithium batteries with conversion cathode materials.
  • the electrolyte in a galvanic cell containing a redox-active additive according to the invention can be present in gelatinous or preferably in liquid form.
  • organic, aprotic solvents carbonic acid esters (dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate), cyclic ethers such as tetrahydropyran or tetrahydrofuran, polyethers such as 1, 2-dimethoxyethane or diethylene glycol dimethyl ether, furthermore nitriles such as acetonitrile, adiponitrile , Malononitrile, glutaronitrile and lactones such as ⁇ -butyrolactone), ionic liquids (eg imidazolium salts) and lithium secondary salts (eg LiPF 6 , lithium fluoroalkyl phosphates, LiBF, imide salts (eg LiPF 6 , lithium fluoroalkyl phosphat
  • Lithium fluorochelatophosphates eg Li (C 2 O 4 ) 2 PF 2
  • lithium halides LiCl, LiBr, Lil
  • further stabilizing eg SEI-forming additives
  • vinylene carbonate eg vinylene carbonate
  • polar polymers eg polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride
  • Preferred cathode materials include lithiated metal insert cathode materials, preferably layered materials such as UCO 2, LiNiO 2, Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiNio , 8oCoo, i5Alo, osO20 spinel structured materials such as LiMn 2 O 4 and LiNio .5 Mni. 5 O 4 or those with olivine structure such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 .
  • Metallinsertions as electrolytic manganese dioxide (MnO2) or vanadium oxide (V2O3) or conversion cathode materials such as metal fluorides (for example, NiF 2, CoF 2, FeF 2, FeF 3) or Metalloxyfluoride (for example, BiO x F 3- 2x, FEOF) are used ,
  • metal fluorides for example, NiF 2, CoF 2, FeF 2, FeF 3
  • Metalloxyfluoride for example, BiO x F 3- 2x, FEOF
  • the anode material is graphite, Lithiumtitanspinell, (in part) are lithiated transition metal nitrides (eg Li 2 6Coo, 4 N, LiCuO, 4 N) of lithium metal, lithium alloys or conversion anode materials such as finely divided magnesium hydride.
  • lithiated transition metal nitrides eg Li 2 6Coo, 4 N, LiCuO, 4 N
  • lithium metal lithium alloys
  • conversion anode materials such as finely divided magnesium hydride.
  • the concentration of the redox-active additive according to the invention in the electrolyte is at least 0.01 mol / l, preferably at least 0.05 mol / l and particularly preferably at least 0.1 mol / l.
  • a redox-active additive according to the invention depends on the electrodes installed in the galvanic element, in particular on the redox potential of the cathode material used.
  • the oxidation potential of the additive according to the invention is generally higher than that of the cathode material. It is at least 0.1 V, preferably at least 0.2 V and at most 0.8 V, preferably at most 0.6 V above that of the cathode material used.
  • Example 1 Preparation of the additive 1, 4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene F according to the invention
  • Compound F can be prepared in a one-pot synthesis from commercially available 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (e.g., Aldrich Best. No. 523755). It has a molecular weight of only 246 g / mol and can be prepared as follows:
  • IR (ATR) (cm "1 ): 3004, 2926, 2870, 2278, 1720, 1510, 1450, 1384, 1356, 1222, 1024, 854, 764
  • the electrochemical stability and the reversibility of the oxidation step were determined by cyclic voltammetry.
  • the first oxidation step of the substance starts at about 4.2 V vs. Li / Li + .
  • a corresponding reductive peak is observed, and the subsequent cycles are nearly congruent, ie the oxidation / reduction is highly reversible.
  • the electrochemical stability and the reversibility of the oxidation step were determined by cyclic voltammetry. To this end, 0.01 M of 1,4-diisocyanato-2, 3,5,6-tetramethylbenzene in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) was added to a glassy carbon electrode (having a surface area of 0.196 cm 2 ) a potential feed rate of 100 mV / s examined. The first oxidation step of the substance starts at approx. 4.5 V vs. Li / Li + . During the backward scan, a corresponding reductive peak is observed, ie the oxidation / reduction is reversible (see Fig. 7).
  • the electrolyte solution according to the invention from Example 3 shows decomposition phenomena only at higher temperatures, i. the additive F stabilizes the electrolyte solution.

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Abstract

The invention relates to a nonaqueous electrolyte for an electrochemical cell, comprising a redox-active additive, in which the additive corresponds to a structure of the general formula A or B, with X = O, S or Se; Y = N or C; Z = O, S or NR (R = alkyl having 1-8 carbon atoms): R1, R2, R3 = independently NCS, NCO, alkyl (1 to 8 carbon atoms), perfluoroalkyl (CnF2n+1 with n = 1-8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1-8 carbon atoms, may also contain further alkoxy groups), NR2 (R = alkyl having 1-8 carbon atoms); R4 = H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 carbon atoms), perfluoroalkyl (CnF2n+1 with n = 1-8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1 to 8 carbon atoms, may also contain further alkoxy groups), NR2 (R = alkyl having 1-8 carbon atoms); R5 = only when Y = C; H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 carbon atoms), perfluoroalkyl (CnF2n+1 with n = 1-8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1 to 8 carbon atoms, may also contain further alkoxy groups), NR2 (R = alkyl having 1-8 carbon atoms), and it has at least one isocyanate or/and isothiocyanate or/and isoselenocyanate group, and to electrochemical cells comprising these redox-active additives.

Description

(Hetero)Aromatische lso(thio)cyanate als Redoxshuttle-Additive für Galvanische Zellen  (Hetero) Aromatic iso (thio) cyanates as redox shuttle additives for galvanic cells
Die Erfindung betrifft einen nichtwässrigen Elektrolyten einer galvanischen Zelle enthaltend ein redoxaktives Additiv sowie galvanische Zellen enthaltend diese redoxaktiven Additive. The invention relates to a non-aqueous electrolyte of a galvanic cell containing a redox-active additive and galvanic cells containing these redox-active additives.
Die Abstimmung eines Lithium-Ionen-Batteriesystems, d.h. die genaue Balancierung der Elektrodenmassen, ist sehr komplex und erfolgt bis dato zumeist rein empirisch. Um eine hohe Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, muss Überladung zuverlässig vermieden werden. Bei der Verwendung von Lithiumübergangsmetalloxiden mit Schichtstruktur als Kathodenmaterialien entstehen bei Überladung nämlich delithiierte, sehr reaktive Co (IV) bzw. Ni (IV)-Verbindungen, die mit dem organischen Elektrolyten exotherm reagieren. Als Folge kann die Temperatur so hoch steigen, dass durch flüchtige Komponenten und gebildete gasförmige Zersetzungsprodukte der Innendruck derartig stark ansteigt, dass die Batterie öffnet und brennbare und/oder giftige Komponenten austreten. Sehr häufig entzünden sich diese Gase auch spontan. The tuning of a lithium-ion battery system, i. The precise balancing of the electrode masses is very complex and has hitherto mostly been purely empirical. In order to ensure a long service life and safety of lithium-ion batteries, overcharging must be reliably avoided. When using lithium transition metal oxides having a layer structure as cathode materials, delignified, very reactive Co (IV) or Ni (IV) compounds which react exothermically with the organic electrolyte are formed when they are overcharged. As a result, the temperature may rise so high that volatile components and formed gaseous decomposition products increase the internal pressure to such an extent that the battery opens and flammable and / or toxic components leak out. Very often, these gases also ignite spontaneously.
Nach dem Stand der Technik wird Überladung durch ein aufwändiges elektronisches Batteriemanagementsystem (BMS) verhindert. Dieses System misst u.a. den Ladezustand jeder einzelnen Zelle und steuert den Ladevorgang. Insbesondere für großformatige Batterien mit entsprechend hoher Anzahl einzelner Zellen (typische Anwendungen sowohl mobil, d.h. für Elektrotraktion oder auch stationär, also für power back-up) werden solche Systeme sehr komplex und teuer. Deshalb ist ein inhärenter„chemischer" Überladeschutz gesucht, wofür sich Redox-Shuttle-Additive „RSA") prinzipiell eignen. Mit Hilfe dieser Materialien sollen vor allem die Sicherheitseigenschaften, aber mittelbar auch die Performance und die Lebensdauer von Batteriezellen verbessert werden. Die Batterieassemblierung aus mehreren Einzelzellen kann im Erfolgsfall vereinfacht werden, da die elektronische Einzelzellenüberwachung (das sogenannte Batteriemanagement) durch einen Zusatz im Elektrolyten weitgehend ersetzt werden kann. Das redoxaktive Additiv bewirkt also einen intrinsischen Schutz vor unkontrollierbaren Ladezuständen. Bisherige Untersuchungen beschränken sich ganz überwiegend auf Batteriezellen mit relativ geringer Klemmenspannung, d.h. Zellen mit Ladeendpotentialen < ca. 4 V vs. Li/Li+, beispielsweise solche mit LiFePO4 als Kathodenmaterial. Für diesen Batterietyp wurden aromatische und heteroaromatische Verbindungen auf ihre Verwendung als Redoxshuttle-Additive untersucht (J.R.Dahn et al., J. Electrochem. Soc 153(2) A445-9 (2006)). Es erwiesen sich nur einige wenige als zumindest teilweise reversibel, z.B. 2,5-Di-tert-butyl-1 ,4-dimethoxybenzol, 3-Chlor-10- ethylphenothiazin, 10-Methylphenothiazin, 4-Fluor-1 ,2-dimethoxybenzol und in beschränktem Maße Anisol (J.R.Dahn, et al., J. Electrochem. Soc 153(10) A1922-8 (2006)). Weiterhin wurde 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl („TEMPO") (J.R. Dahn, J. Electrochem. Soc. 153 (2006) A1800) für die Verwendung in Lithiumbatterien mit LiFePO4-Kathode untersucht. Diese redoxaktiven Additive weisen in der Regel ein Oxidationspotential (Eox) < 4 V auf: According to the state of the art, overcharging is prevented by a complex electronic battery management system (BMS). Among other things, this system measures the charge state of each individual cell and controls the charging process. In particular, for large-sized batteries with a correspondingly high number of individual cells (typical applications both mobile, ie for electric traction or stationary, so for power back-up) such systems are very complex and expensive. Therefore, an inherent "chemical" overcharge protection is sought, for which redox shuttle additives "RSA") are in principle suitable. With the help of these materials, above all, the safety properties, but also indirectly the performance and the service life of battery cells are to be improved. The battery assembly of several single cells can be simplified in case of success, since the electronic single cell monitoring (the so-called battery management) can be largely replaced by an addition in the electrolyte. The redox-active additive thus provides intrinsic protection against uncontrollable charge states. Existing investigations are predominantly limited to battery cells with relatively low terminal voltage, ie cells with charging end potentials <approx. Li / Li + , for example those with LiFePO 4 as the cathode material. For this battery type, aromatic and heteroaromatic compounds have been tested for their use as redox shuttle additives (JRDahn et al., J. Electrochem. Soc 153 (2) A445-9 (2006)). Only a few proved to be at least partially reversible, for example 2,5-di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene, 3-chloro-10-ethylphenothiazine, 10-methylphenothiazine, 4-fluoro-1,2-dimethoxybenzene and to a limited extent anisole (JRDahn, et al., J. Electrochem Soc 153 (10) A1922-8 (2006)). Furthermore, 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl ("TEMPO") (JR Dahn, J. Electrochem, Soc., 153 (2006) A1800) was investigated for use in lithium batteries with LiFePO 4 cathode Usually an oxidation potential (E ox ) <4 V on:
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Für die z.Zt. üblichen Kathodenmaterialien mit Schicht- oder Spinell-Struktur, die Ladeendpotentiale von ca. 4,2 - 4,3 V aufweisen, gibt es dagegen nur ganz wenige Untersuchungen und (im Laborversuch) erfolgreich geprüfte Verbindungen. Dabei handelt es sich beispielsweise um prohibitiv teure perfluorierte Polyboratcluster (EP 1768210A1 ) bzw. um perfluorierte Arylborate (US 2007/0178370A1 und Z.Chen, Y. Qin, K. Amine, Electrochim. Acta 54 (2009) 5605-13). Arylfluoroborane Perfluoro- boratcluster For the z.Zt. Conventional cathode materials with layered or spinel structure, the end of charge potentials of about 4.2 - 4.3 V, there are, however, only a very few studies and (successfully tested in the laboratory) compounds. These are, for example, prohibitively expensive perfluorinated polyborate clusters (EP 1768210A1) or perfluorinated arylborates (US 2007 / 0178370A1 and Z. Chen, Y. Qin, K. Amine, Electrochim, Acta 54 (2009) 5605-13). Arylfluoroborane Perfluoroborate Clusters
2[tJ12i- 2.xUlxJ 2 [tJ 12 i- 2 . x Ul x J
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E Ό, Χ 4,4 V 4,3 - 4,7 V  E Ό, Χ 4.4 V 4.3 - 4.7 V
Neuere Forschungsaktivitäten sind auf dem Gebiet der Dialkoxyphenyl-Verbindungen zu verzeichnen. Quantenchemische Untersuchungen der ortsabhängigen Elektronendichte mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) an 1 ,4- Dimethoxybenzolen wurden von Weishan Li durchgeführt (W. Li, J. Phys. Chem. A 201 1 , 1 15, 4988-94). Das Ergebnis ist, dass durch Einführung elektronenschiebender oder -ziehender Substituenten das Oxidationspotential im Bereich zwischen 3,8 und 5,9 V vs Li/Li+ variiert werden kann. Um die Zyklenstabilität zu erhöhen, ist die Einführung sterisch anspruchsvoller Reste (meistens terf-Butyl) unbedingt notwendig. So bietet die Firma 3M seit einigen Jahren die von J. Dahn entwickelte Verbindung 1 (2,5-Di-terf-butyl-1 ,4-dimethoxybenzol,„DDB") an (A. Xiao, 29th Intl. Batt. Sem. Exhib. March 12-15, Ft. Lauderdale, FLO, 2012). Recent research activities are in the field of dialkoxyphenyl compounds. Quantum-chemical investigations of the position-dependent electron density by density functional theory (DFT) on 1,4-dimethoxybenzenes were carried out by Weishan Li (W. Li, J. Phys. Chem. A 201 1, 1 15, 4988-94). The result is that the introduction of electron-donating or withdrawing substituents allows the oxidation potential to be varied between 3.8 and 5.9 V vs Li / Li + . In order to increase the cycle stability, the introduction of sterically demanding residues (mostly terf-butyl) is absolutely necessary. For example, 3M has been offering the compound 1 (2,5-di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene, "DDB") developed by J. Dahn (A. Xiao, 29 th Intl. Batt. Sem Exhib. March 12-15, Ft. Lauderdale, FLO, 2012).
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2 3 4a (H) 4b (Br) 2 3 4a (H) 4b (Br)
DBB 1 besitzt ein Oxidationspotential von etwa 3,9 V und ist deshalb, wie oben erwähnt, auf die Verwendung des Kathodenmaterials Lithiumeisenphosphat limitiert (J.R.Dahn, J.EIectrochem. Soc. 156(4) A309-12 (2009)). Nachteil der Verbindung 1 ist weiterhin die geringe Löslichkeit in gängigen Batterieelektrolyten. Durch Einführung von Glykolethergruppierungen wie in 2 (2,5-Di-terf-butyl-1 ,4-ib/s(2- methoxyethoxy)benzol, „DBBB") steigt die Löslichkeit deutlich (auf 0,4 M im Vergleich zu <0,008M für 1_). Da das Oxidationspotential von 2 gegenüber 1 unverändert bei ca. 3,9 V liegt, kommt diese Verbindung ebenfalls lediglich für Metallphosphatkathoden in Frage (K. Amine, Energy Environ. Sei. 2012, 5, 824-7; US201 1/0294003A1 ). Für MCMB/LFP-Knopfzellen wurde die Reversibilität für 180 Zyklen mit 100% Überladung bei C/2 nachgewiesen. DBB 1 has an oxidation potential of about 3.9 V and therefore, as mentioned above, is limited to the use of the cathode material lithium iron phosphate (JRDahn, J. E. Electrochem, Soc., 156 (4) A309-12 (2009)). Disadvantage of the compound 1 is furthermore the low solubility in common battery electrolytes. By introducing glycol ether moieties as in 2 (2,5-di-tert-butyl-1,4-ib / s (2-methoxyethoxy) benzene, "DBBB"), solubility increases significantly (to 0.4 M im Compared to <0.008M for 1_). Since the oxidation potential of 2 versus 1 remains unchanged at about 3.9 V, this compound is also only suitable for metal phosphate cathodes (K. Amine, Energy Environs., 2012, 5, 824-7, US201 1 / 0294003A1). For MCMB / LFP button cells, reversibility was demonstrated for 180 cycles with 100% overload at C / 2.
Zyklische 1 ,3-Benzodioxane sind gegenüber den nichtzyklischen etwas oxidationsstabiler. So wird für 3 (4,6-Di-terf-butyl-1 ,3-benzodioxan, „DBBD1 "), das allerdings nicht reversibel ist, Eox=4,1 V angegeben (K. Amine, J.Power Sources 196 (201 1 ) 1530-6; US201 1/0294017A1 ). Bessere Ergebnisse werden für 1 ,4- Benzodioxane erhalten. Die Verbindungen 4a und 4b erweisen sich bei Überladetests als hochreversibel bei Oxidationspotentialen von 4,2 bzw. 4,7 V. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand beim Einführen der beiden tert-Butylgruppen und im Falle 4b die Anwesenheit einer Halogenidfunktion. Halogenide können selbst im Spurenbereich die Korrosion des im allgemeinen verwendeten kathodischen Stromableiters, der aus metallischem Aluminium besteht, bewirken. Cyclic 1,3-benzodioxanes are slightly more resistant to oxidation than the noncyclic ones. Thus, for 3 (4,6-di-tert-butyl-1,3-benzodioxane, "DBBD1"), which is not reversible, E ox = 4.1 V is given (K. Amine, J. Power Sources 196 (201 1) 1530-6; US201 1 / 0294017A1) Better results are obtained for 1,4-benzodioxanes Compounds 4a and 4b are found to be highly reversible in overcharge tests at oxidation potentials of 4.2 and 4.7 V, respectively however, the high expense of introducing the two tert-butyl groups and the presence of a halide function in case 4b, halides can even cause corrosion of the generally used cathodic current collector made of metallic aluminum, even in trace amounts.
Eine neue Verbindungsklasse wurde von Argonne National Labs vorgestellt: aromatische Organophosphorverbindungen wie Tetraethyl-2,5-diterf-butyl-1 ,4- phenylendiphosphat 5 (US201 1/0294018A1 ): A new class of compounds has been proposed by Argonne National Labs: Aromatic organophosphorus compounds such as tetraethyl-2,5-diterf-butyl-1,4-phenylenediphosphate 5 (US201 1 / 0294018A1):
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5 („DBDPB") zeigt ein sehr hoch liegendes Oxidationspotential zwischen 4,7 und 5 V. Reversibler Überladeschutz wurde für Lii,2Nio,i5Coo,iMno,55O2/MCMB-Zellen (300 % Überladung, C/10) demonstriert. Nachteil dieser Verbindung ist jedoch die hohe Molmasse (z.B. 494 g/mol für 5). Bei üblichen Additivkonzentrationen von max. 5 % entspricht dies einer molaren Konzentration von ca. 0,1 M. Aufgrund dieser relativ geringen Konzentration und der mit der Molekülgröße verbundenen langsamen Diffusionsgeschwindigkeit ist der Überladeschutz deshalb auf geringe Stromdichten beschränkt. Gemäß US201 1/0294018A1 beschränkt sich der Überladeschutz demzufolge auf sehr geringe Lade-/Entladeraten von C/10, d.h. 10-stündige Zyklen. 5 ( "DBDPB") shows a very high lying oxidation potential from 4.7 to 5 V. The reversible overcharge protection was for Lii, 2Nio, i 5 Coo, iMno, 55O 2 / MCMB cells (300% overload, C / 10) demonstrated However, the disadvantage of this compound is the high molar mass (eg 494 g / mol for 5), which corresponds to a molar concentration of about 0.1 M at conventional additive concentrations of up to 5%, owing to this relatively low concentration and molecular size connected slow Diffusion rate, the overload protection is therefore limited to low current densities. According to US201 1 / 0294018A1, the overcharge protection is consequently limited to very low charge / discharge rates of C / 10, ie 10-hour cycles.
Der Einsatz von organischen Isocyanaten als Additive für nichtwässrige Elektrolyte ist bekannt. So wird beispielsweise durch Zusatz von 0,5-10 Gew.% Phenylisocyanat die Zunahme von Wasser und HF in LiPF6-basierten Elektrolyten vermieden, so dass eine verbesserte chemische und elektrochemische Stabilität resultiert. Das organische Isocyanat wird einem nichtwässrigen Elektrolyten für eine elektrochemische Zelle, umfassend mindestens ein fluorhaltiges Leitsalz in einer zur Herabsetzung des Wassergehaltes des Elektrolyten wirksamen Menge zugegeben (DE10042149A1 ). Nichtwässrige Elektrolytlösungen, die ein Lithiumsalz, ein zyklisches Carbonat, ein lineares Carbonat und ein Isocyanat-basiertes Additiv der Formel R1-N=C=O enthalten, wobei R1 eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe oder eine aromatische Gruppe der allgemeinen Formel The use of organic isocyanates as additives for non-aqueous electrolytes is known. Thus, for example, by adding 0.5-10% by weight of phenyl isocyanate, the increase of water and HF in LiPF 6 -based electrolytes is avoided, resulting in improved chemical and electrochemical stability. The organic isocyanate is added to a nonaqueous electrolyte for an electrochemical cell comprising at least one fluorine-containing conductive salt in an amount effective to reduce the water content of the electrolyte (DE10042149A1). Non-aqueous electrolyte solutions containing a lithium salt, a cyclic carbonate, a linear carbonate and an isocyanate-based additive of the formula R 1 -N = C = O, wherein R 1 is a linear or branched alkyl group or an aromatic group of the general formula
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ist, wobei R2 und R3 gleich oder unterschiedlich sein können und an irgendeiner Position der Kohlenstoffe 2, 2', 3, 3' am Benzylring positioniert sein können und Wasserstoffatome, Halogenatome, Isocyanatgruppen, Ethergruppen, Estergruppen oder Alkylgruppen sein können, sind bekannt (US 6,905,762B1 ). Die positiven Effekte von Phenylisocyanat und 4-Fluorisocyanat zur Verringerung irreversibler Kapazitäten und zur Schutzschichtbildung (solid electrolyte interface, ,,SEI"-Bildung) konnten in Lithium/Graphit-Halbzellen demonstriert werden (S.S. Zhang, J.Power Sources 163 (2006) 567-72). Die Effekte einer Reihe weiterer aromatischer Monoisocyanate auf die Morphologie der SEI-Bildung von MCMB-Elektroden wurden ausführlich untersucht (C. Korepp et al., J. Power Sources 174 (2007) 387-93). Es wurde gefunden, dass die Isocyanate bei der SEI-Bildung elektrochemisch polymerisieren, sie also zersetzt werden. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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wherein R 2 and R 3 may be the same or different and may be positioned at any position of the carbons 2, 2 ', 3, 3' on the benzyl ring and may be hydrogen atoms, halogen atoms, isocyanate groups, ether groups, ester groups or alkyl groups are known (US 6,905,762 B1). The positive effects of phenylisocyanate and 4-fluoro-isocyanate to reduce irreversible capacities and solid electrolyte interface ("SEI" formation) could be demonstrated in lithium / graphite half-cells (SS Zhang, J. Power Sources 163 (2006) 567 The effects of a number of other aromatic monoisocyanates on the morphology of SEI formation of MCMB electrodes have been extensively studied (Korepp, C. et al., J. Power Sources 174 (2007) 387-93). that the isocyanates in the SEI formation electrochemically polymerize, so they are decomposed. The object of the invention has been found to overcome the disadvantages of the prior art.
Insbesondere soll sie überladetolerante Elektrolytfornnulierungen enthaltend Redox- Additive mit einem Oxidationspotential von mindestens 3,5 V, bevorzugt > 4.2 V angeben, die In particular, it should indicate overcharge tolerant electrolyte formulations containing redox additives with an oxidation potential of at least 3.5 V, preferably> 4.2 V, which
• zersetzungsstabil, d.h. reversibel wirksam sind, • stable to decomposition, i. are reversibly effective,
• die Molmassen bevorzugt < 300 g/mol aufweisen und die wenig aufwändig hergestellt werden können,  The molar masses preferably have <300 g / mol and can be prepared with little expense,
• die in aprotischen Lösemitteln, z.B. Kohlensäureestern in Konzentrationen von > 0,1 M löslich sind.  • in aprotic solvents, e.g. Carbonic acid esters in concentrations of> 0.1 M are soluble.
Die gestellte Aufgabe wird durch einen nichtwässrigen Elektrolyten einer galvanischen Zelle enthaltend ein redoxaktives Additiv gelöst, bei dem das Additiv einer Struktur der allgemeinen Formeln A oder B  The object is achieved by a non-aqueous electrolyte of a galvanic cell containing a redox-active additive, wherein the additive of a structure of the general formulas A or B
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A B mit  A B with
X = O, S oder Se X = O, S or Se
Y = N oder C; Z = O, S oder NR (R= Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) Y = N or C; Z = O, S or NR (R = alkyl having 1 -8 C atoms)
R1, R2, R3 = unabhängig voneinander NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C- Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C- Atomen) R 1 , R 2 , R 3 = independently of one another NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR ( R = alkyl having 1 to 8 C atoms, may also contain further alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl having 1 -8 C atoms)
R4 = H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) R5 = lediglich für Y = C; H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) entspricht und mindestens eine Isocyanat- oder/und Isothiocyanat- oder/und Isoselenocyanatgruppe aufweist. R 4 = H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C-atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl with 1 to 8 C atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl with 1 -8 C atoms) R 5 = only for Y = C; H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1 to 8 C atoms) Atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl having 1 -8 carbon atoms) and at least one isocyanate and / or isothiocyanate and / or Isoselenocyanatgruppe has.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält das aromatische oder heteroaromatische redoxaktive Additiv mindestens zwei NCX-Gruppen (mit X = O oder S) und weist eine der folgenden Strukturen auf: In a preferred embodiment of the invention, the aromatic or heteroaromatic redox-active additive contains at least two NCX groups (with X = O or S) and has one of the following structures:
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c D  c D
X1 , X2 = unabhängig voneinander O, S oder Se X 1 , X 2 = independently of one another O, S or Se
Y = N oder C; Z = O, S oder NR (R= Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) Y = N or C; Z = O, S or NR (R = alkyl having 1 -8 C atoms)
R1 , R2 = unabhängig voneinander NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) R 1 , R 2 = independently NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C-atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl with 1 to 8 carbon atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl with 1 -8 C atoms)
R3 = H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) R 3 = H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C-atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl with 1 to 8 C atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl with 1 -8 C atoms)
R4 = lediglich für Y = C; H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten) für Y = C. R 4 = only for Y = C; H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1 to 8 C atoms) Atoms, may also contain other alkoxy groups) for Y = C.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das aromatische redoxaktive Additiv zwei NCX-Gruppen und alle vorhandenen Substituenten R1 bis R4 sind ungleich H, d.h. der aromatische oder heteroaromatische Ring liegt vollständig substituiert vor. Ganz besonders bevorzugt sind die Strukturen E und F: In a particularly preferred embodiment, the aromatic redox-active additive contains two NCX groups and all substituents R 1 to R 4 are not H, ie the aromatic or heteroaromatic ring is completely substituted. Very particular preference is given to the structures E and F:
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X1 , X2 = unabhängig voneinander O, S oder Se X 1 , X 2 = independently of one another O, S or Se
Es wurde überraschender Weise festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Additive reversibel oxidiert und reduziert werden können. Dies steht im Gegensatz zu den bekannten aromatischen lso(thio)cyanatverbindungen, die nicht zersetzungsstabil sind, sondern die sich bei Anlegen eines elektrochemischen Potentials außerhalb ihres Stabilitätsbereiches irreversibel zersetzen. It has surprisingly been found that the additives according to the invention can be reversibly oxidized and reduced. This is in contrast to the known aromatic iso (thio) cyanate compounds, which are not stable to decomposition, but which decompose irreversibly when an electrochemical potential is applied outside its stability range.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand des erfindungsgemäßen Additivs F und G einer nicht erfindungsgemäßen Vergleichsverbindung H erläutert. The subject invention is explained with reference to the inventive additive F and G of a comparative compound H not according to the invention.
Es zeigen: Show it:
Abb. 1 : Zyklovoltammogramm von 0, 1 mol/L G in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode. Potentialvorschubsgeschwindigkeit: 100 mV/s Fig. 1: Cyclic voltammogram of 0.1 mol / LG in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode. Potential feed rate: 100 mV / s
Abb. 2: Zyklovoltammogramm von 0,1 mol/L H in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode, Potentialvorschubgeschwindigkeit: 10 mV/s Fig. 2: Cyclic voltammogram of 0.1 mol / LH in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode, potential feed rate: 10 mV / s
Abb. 3: Galvanostatischer Überladeversuch einer LiFePO4/Li-Zelle mit 0,1 M G in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht). Stromrate: C/5. Jeweils 100% Fig. 3: Galvanostatic overload test of a LiFePO 4 / Li cell with 0.1 MW in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight). Flow rate: C / 5. 100% each
Überladung  Overload
Abb. 4: Galvanostatischer Überladeversuch einer LiMn2O4/Li-Zelle mit 0,1 M G in 1 M Fig. 4: Galvanostatic overload test of a LiMn 2 O 4 / Li cell with 0.1 MW in 1 M
LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht). Stromrate: C/5. Jeweils 100% LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight). Flow rate: C / 5. 100% each
Überladung Abb. 5: DSC-test (RADEX) von LiPF6-Elektrolytlösung mit 5% F Overload Fig. 5: DSC test (RADEX) of LiPF 6 5% F electrolyte solution
Abb. 6: DSC-test (RADEX) von LiPF6-Elektrolytlösung ohne erfindungsgemäßes Fig. 6: DSC test (RADEX) of LiPF 6 -electrolyte solution without inventive
Additiv  additive
Abb. 7: Zyklovoltammogramm von 0,01 mol/L F in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode, Potentialvorschubgeschwindigkeit: 100 mV/s. Fig. 7: Cyclic voltammogram of 0.01 mol / LF in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode, potential feed rate: 100 mV / s.
Während also Verbindung G mit einem ersten Oxidationspotential von 4,5 V reversibel oxidiert und reduziert werden kann, wird die nicht erfindungsgemäße Verbindung H bei ebenfalls 4,5 V irreversibel oxidiert. Thus, while compound G can be reversibly oxidized and reduced with a first oxidation potential of 4.5 V, the non-inventive compound H is irreversibly oxidized at 4.5 V as well.
Die erfindungsgemäßen redoxaktiven Additive können als Überladeschutz in allen galvanischen Zellen eingesetzt werden, die nicht-wässrige Elektrolyte verwenden. Dies sind insbesondere alle Lithiumbatterietypen, namentlich Lithiumionenbatterien, Lithiumbatterien mit Lithiummetall- oder Legierungsanode und Lithiumbatterien mit Konversions-Kathodenmaterialien. The redox-active additives according to the invention can be used as overcharge protection in all galvanic cells which use non-aqueous electrolytes. These are in particular all types of lithium batteries, namely lithium-ion batteries, lithium-metal or alloy-anode lithium batteries and lithium batteries with conversion cathode materials.
Der Elektrolyt in einer galvanischen Zelle enthaltend ein erfindungsgemäßes redoxaktives Additiv kann in gelartiger oder bevorzugt flüssiger Form vorliegen. Er kann neben dem oder den erfindungsgemäßen redoxaktiven Additiven organische, aprotische Lösungsmittel (Kohlensäureester (Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Ethylencarbonat), cyclische Ether wie Tetrahydropyran oder Tetrahydrofuran, Polyether wie 1 ,2-Dimethoxyethan oder Diethylenglykoldimethylether, ferner Nitrile wie Acetonitril, Adiponitril, Malodinitril, Glutaronitril sowie Lactone wie γ-Butyrolacton), ionische Flüssigkeiten (z.B. Imidazoliumsalze) und Lithiumleitsalze (z.B. LiPF6, Lithiumfluoroalkylphosphate, LiBF , Imidsalze (z.B. LiN(SO2CF3)2), LiOSO2CF3, Methidsalze (z.B. LiC(SO2CF3)3), LiCIO4, Lithiumchelatoborate (z.B. LiBOB), Lithiumfluorochelatoborate (z.B. LiC2O4BF2), Lithiumchelatophosphate (z.B. LiTOP) undThe electrolyte in a galvanic cell containing a redox-active additive according to the invention can be present in gelatinous or preferably in liquid form. In addition to the redox-active additives of the invention, organic, aprotic solvents (carbonic acid esters (dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate), cyclic ethers such as tetrahydropyran or tetrahydrofuran, polyethers such as 1, 2-dimethoxyethane or diethylene glycol dimethyl ether, furthermore nitriles such as acetonitrile, adiponitrile , Malononitrile, glutaronitrile and lactones such as γ-butyrolactone), ionic liquids (eg imidazolium salts) and lithium secondary salts (eg LiPF 6 , lithium fluoroalkyl phosphates, LiBF, imide salts (eg LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ), LiOSO 2 CF 3 , methide salts (eg LiC (SO 2 CF 3 ) 3 ), LiCIO 4 , lithium chelatoborates (eg LiBOB), lithium fluorochelato borates (eg LiC 2 O 4 BF 2 ), lithium chelatophosphates (eg LiTOP) and
Lithiumfluorochelatophosphate (z.B. Li(C2O4)2PF2), Lithiumhalogenide (LiCI, LiBr, Lil) sowie weitere stabilisierende (z.B. SEI-bildende) Additive (z.B. Vinylencarbonat) und polare Polymere (z.B. Polyethylenoxid, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid) in beliebiger Mischung enthalten. Lithium fluorochelatophosphates (eg Li (C 2 O 4 ) 2 PF 2 ), lithium halides (LiCl, LiBr, Lil) and further stabilizing (eg SEI-forming) additives (eg vinylene carbonate) and polar polymers (eg polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride) in any mixture.
Zu den bevorzugten Kathodenmaterialien gehören lithiierte Metallinsertionskathoden- materialien, bevorzugt schichtstrukturierte Materialien wie UC0O2, LiNiO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiNio,8oCoo,i5Alo,osO20der spinellstrukturierte Materialien wie LiMn2O4 und LiNio.5Mni.5O4 oder solche mit Olivinstruktur wie beispielsweise LiFePO4 und LiMnPO4. Es können auch nichtlithiierte Metallinsertionsverbindungen wie elektrolytischer Braunstein (MnO2) oder Vanadiumoxide (V2O3) oder Konversionskathodenmaterialien wie Metallfluoride (z.B. NiF2, CoF2, FeF2, FeF3) oder Metalloxyfluoride (z.B. BiOxF3-2x, FeOF) zum Einsatz kommen. Im Sinne der Erfindung ist es auch möglich, beliebige Mischungen aus verschiedenen Kathodenmaterialien zu verwenden. Preferred cathode materials include lithiated metal insert cathode materials, preferably layered materials such as UCO 2, LiNiO 2, Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiNio , 8oCoo, i5Alo, osO20 spinel structured materials such as LiMn 2 O 4 and LiNio .5 Mni. 5 O 4 or those with olivine structure such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 . It can also nichtlithiierte Metallinsertionsverbindungen as electrolytic manganese dioxide (MnO2) or vanadium oxide (V2O3) or conversion cathode materials such as metal fluorides (for example, NiF 2, CoF 2, FeF 2, FeF 3) or Metalloxyfluoride (for example, BiO x F 3- 2x, FEOF) are used , For the purposes of the invention it is also possible to use any mixtures of different cathode materials.
Als Anodenmaterial eignen sich Graphit, Lithiumtitanspinell, (teil)lithiierte Übergangsmetallnitride (z.B. Li2,6Coo,4N, LiCuo,4N) Lithiummetall, Lithiumlegierungen oder Konversionsanodenmaterialien wie z.B. feinverteiltes Magnesiumhydrid. The anode material is graphite, Lithiumtitanspinell, (in part) are lithiated transition metal nitrides (eg Li 2 6Coo, 4 N, LiCuO, 4 N) of lithium metal, lithium alloys or conversion anode materials such as finely divided magnesium hydride.
Die Konzentration des erfindungsgemäßen redoxaktiven Additivs im Elektrolyten beträgt mindestens 0,01 Mol/I, bevorzugt mindestens 0,05 Mol/I und besonders bevorzugt mindestens 0,1 Mol/I. The concentration of the redox-active additive according to the invention in the electrolyte is at least 0.01 mol / l, preferably at least 0.05 mol / l and particularly preferably at least 0.1 mol / l.
Die konkrete Auswahl eines erfindungsgemäßen redoxaktiven Additivs hängt von den im galvanischen Element verbauten Elektroden, insbesondere vom Redoxpotential des verwendeten Kathodenmaterials ab. Das Oxidationspotential des erfindungsgemäßen Additivs liegt grundsätzlich über dem des Kathodenmaterials. Es liegt mindestens 0,1 V, bevorzugt mindestens 0,2 V und höchstens 0,8 V, bevorzugt höchstens 0,6 V über dem des verwendeten Kathodenmaterials. Beispiel 1 : Herstellung des erfindungsgemäßen Additivs 1 ,4-Diisocyanato- 2,3,5,6-tetramethylbenzol F The actual selection of a redox-active additive according to the invention depends on the electrodes installed in the galvanic element, in particular on the redox potential of the cathode material used. The oxidation potential of the additive according to the invention is generally higher than that of the cathode material. It is at least 0.1 V, preferably at least 0.2 V and at most 0.8 V, preferably at most 0.6 V above that of the cathode material used. Example 1: Preparation of the additive 1, 4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene F according to the invention
Die Verbindung F kann in einer Eintopfsynthese aus kommerziell erhältlichem 2,3,5,6-Tetramethyl-1 ,4-phenylendiamin (z.B. Aldrich Best. Nr. 523755) hergestellt werden. Sie weist eine Molmasse von nur 246 g/mol auf und sie kann wie folgt hergestellt werden: Compound F can be prepared in a one-pot synthesis from commercially available 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine (e.g., Aldrich Best. No. 523755). It has a molecular weight of only 246 g / mol and can be prepared as follows:
In einem trockenen, Argon gespülten Schankgefäß ausgerüstet mit einem Magnetrührstab und einer Gummidichtscheibe wird Di-tert-butyl-dicarbonat (52,6 g, 241 mmol, 2,2 Äquivalente) gelöst in 600 ml trockenem Acetonitril vorgelegt. Nach Zugabe von 4-Dimethylaminopyridin (268 mg, 2,2 mmol, 0,02 Äquivalenten) zur Reaktionsmischung wurde diese 5 Minuten bei 25°C gerührt. Anschließend wurde 2,3,5,6-Tetramethyl-1 ,4-phenylendiamin (18,9 g, 1 10 mmol, 1 Äquivalent) gelöst in 300 ml trockenem Acetonitril zugegeben und weitere 15 Minuten bei 25°C gerührt. Die Reaktionsmischung wurde 6mal mit iso-Hexan extrahiert. Die vereinigten isoHexan-Phasen wurden über MgSO4 getrocknet und durch Vakuumverdampfung aufkonzentriert. Der Rückstand wurde aus iso-Hexan umkristallisiert und 1 ,4- Diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzol als weißer Feststoff erhalten (12,7 g, 59 mmol, 55% Ausbeute). In a dry, argon-rinsed dispensing vessel equipped with a magnetic stir bar and a rubber sealing disc di-tert-butyl-dicarbonate (52.6 g, 241 mmol, 2.2 equivalents) dissolved in 600 ml of dry acetonitrile presented. After adding 4-dimethylaminopyridine (268 mg, 2.2 mmol, 0.02 equiv.) To the reaction mixture, it was stirred at 25 ° C for 5 minutes. Subsequently, 2,3,5,6-tetramethyl-1, 4-phenylenediamine (18.9 g, 1 10 mmol, 1 equivalent) dissolved in 300 ml of dry acetonitrile was added and stirred at 25 ° C for a further 15 minutes. The reaction mixture was extracted 6 times with iso-hexane. The combined isoHexan phases were dried over MgSO 4 and concentrated by vacuum evaporation. The residue was recrystallized from iso-hexane to give 1,4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene as a white solid (12.7 g, 59 mmol, 55% yield).
Schmelzpunkt: 1 14,8 - 1 15,5°C Melting point: 1 14.8 - 1 15.5 ° C
1H NMR (300 MHz, CDCI3) δ (ppm): 2,27 (s, 12H) 1 H NMR (300 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): 2.27 (s, 12H)
13C NMR (75 MHz, CDCI3) δ (ppm): 129,7, 128,9, 123,4, 15,8 13 C NMR (75 MHz, CDCl 3 ) δ (ppm): 129.7, 128.9, 123.4, 15.8
MS (70 eV, El) m/z (%): 216 (M+, 100); 201 (27), 188 (15), 174 (14), 161 (14), 145 (1 1 ), 77 (10), 53 (12) MS (70 eV, El) m / z (%): 216 (M + , 100); 201 (27), 188 (15), 174 (14), 161 (14), 145 (11), 77 (10), 53 (12)
IR (ATR) ü (cm"1): 3004, 2926, 2870, 2278, 1720, 1510, 1450, 1384, 1356, 1222, 1024, 854, 764 IR (ATR) (cm "1 ): 3004, 2926, 2870, 2278, 1720, 1510, 1450, 1384, 1356, 1222, 1024, 854, 764
HRMS (El): m/z berechnet für C12H12N2O2 (216.0899): 216.0891 (M+) Beispiel 2: Bestimmung der elektrochemischen Stabilität und des Verhaltens unter Überladebedingungen von 5-Chlor-2,4-dimethoxyphenylisocyanat G HRMS (El): m / z calculated for C12H12N2O2 (216.0899): 216.0891 (M + ) Example 2: Determination of electrochemical stability and behavior under charging conditions of 5-chloro-2,4-dimethoxyphenylisocyanate G
Die elektrochemische Stabilität und die Reversibilität des Oxidationsschrittes wurden über Zyklovoltammet e bestimmt. Dafür wurden 0,1 M 5-Chlor-2,4- dimethoxyphenylisocyanat in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode (mit einer Oberfläche von 0,196 cm2) bei einer Potentialvorschubgeschwindigkeit von 100 mV/s untersucht. Der erste Oxidationsschritt der Substanz startet bei ca. 4,2 V vs. Li/Li+. Während des Rückwärts-Scans wird ein entsprechender reduktiver Peak beobachtet, und die Folgezyklen sind nahezu deckungsgleich, d.h. die Oxidation / Reduktion erfolgt hochreversibel. The electrochemical stability and the reversibility of the oxidation step were determined by cyclic voltammetry. For this purpose, 0.1 M 5-chloro-2,4-dimethoxyphenyl isocyanate in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) on a glassy carbon electrode (with a surface of 0.196 cm 2 ) at a potential feed rate of 100 mV / s examined. The first oxidation step of the substance starts at about 4.2 V vs. Li / Li + . During the backward scan, a corresponding reductive peak is observed, and the subsequent cycles are nearly congruent, ie the oxidation / reduction is highly reversible.
Das Verhalten unter Überladebedingungen wurde in LiFePO4/Li- und LiMn2O4/Li- Zellen über galvanostatische Messungen bei einer Stromrate von C/5 bestimmt. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse für die LiFePO4/Li-Zelle. Die reguläre Ladung von LiFePO4 erfolgt bei ca. 3,45 V vs. Li/Li+. Nach knapp 5 Stunden ist das Kathodenmaterial vollständig geladen und das Potential steigt während der anschließenden Überladung steil an, um bei ca. 4,3 V vs. Li/Li+ in ein neues Potentialplateau zu münden, das der reversiblen Oxidation von 5-Chlor-2,4- dimethoxyphenylisocyanat entspricht. Nach 10 Stunden (bzw. 100% Überladung) wird die Zelle entladen. Das Potentialplateau bei ca. 3,4 V vs. Li/Li entspricht der regulären Entladung von LiFePO4, welches sich wieder vollständig entladen lässt. Der 2. Zyklus verhält sich wie der 1 . Zyklus, was darauf hindeutet, dass die Zelle nicht unter der Überladung gelitten hat, und dass folglich 5-Chlor-2,4- dimethoxyphenylisocyanat als reversibler Überladeschutz aktiv war. The behavior under overcharge conditions was determined in LiFePO 4 / Li and LiMn 2 O 4 / Li cells by galvanostatic measurements at a current rate of C / 5. Figure 3 shows the results for the LiFePO 4 / Li cell. The regular charge of LiFePO 4 occurs at about 3.45 V vs. Li / Li + . After less than 5 hours, the cathode material is fully charged and the potential rises steeply during the subsequent overcharge, at around 4.3V vs. Li / Li + into a new potential plateau, which corresponds to the reversible oxidation of 5-chloro-2,4-dimethoxyphenyl isocyanate. After 10 hours (or 100% overcharge) the cell is discharged. The potential plateau at approx. 3.4 V vs. Li / Li corresponds to the regular discharge of LiFePO 4 , which can be fully discharged again. The second cycle behaves like the 1. Cycle, suggesting that the cell had not suffered from the overcharge, and consequently 5-chloro-2,4-dimethoxyphenyl isocyanate was active as a reversible overcharge protection.
Ähnliches Verhalten wird für die LiMn2O4/Li-Zelle in Abbildung 4 beobachtet. Die beiden Plateaus bei ca. 4,0 und 4,15 V vs. Li/Li+ entsprechen der regulären Ladung von LiMn2O4. Unter Überladebedingungen wird 5-Chlor-2,4- dimethoxyphenylisocyanat bei einem Potential von ca. 4,3 V vs. Li/Li+ aktiv. Nach 100% Überladung lässt sich das LiMn2O4 regulär entladen. Auch hier wirkt 5-Chlor- 2,4-dimethoxyphenylisocyanat als reversibler Überladeschutz. Beispiel 3: Stabilität einer LiPF6-basierten Elektrolytlösung enthaltend 5 % 1 ,4- diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzol F Similar behavior is observed for the LiMn 2 O 4 / Li cell in Figure 4. The two plateaus at about 4.0 and 4.15 V vs. Li / Li + correspond to the regular charge of LiMn 2 O 4 . Under overcharge conditions, 5-chloro-2,4-dimethoxyphenyl isocyanate is found at a potential of approximately 4.3V. Li / Li + active. After 100% overload, the LiMn 2 O 4 can be discharged regularly. Here, too, 5-chloro-2,4-dimethoxyphenylisocyanate acts as a reversible overload protection. Example 3: Stability of a LiPF 6 -based electrolytic solution containing 5% 1,1,4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene F
In einer Argon-gefüllten Handschuhbox wurden 0,98 g einer 1 1 %igen LiPF6-Lösung in Ethylencarbonat/Ethylmethylcarbonat (Gewichtsverhältnis 1 :1 ), die 5 Gew.% F enthielt, in einen Stahlautoklaven des RADEX-Systems der Firma Systag (Schweiz) gefüllt und hermetisch verschlossen. Diese Mischung wurde dann mit einer Heizrate von 45 K/h bis zu einer Endtemperatur von 270°C aufgeheizt und die thermischen Ereignisse wurden registriert (Abb. 5). In an argon-filled glove box, 0.98 g of a 1 1% strength LiPF 6 solution in ethylene carbonate / ethyl methyl carbonate (weight ratio 1: 1) containing 5% by weight of F were introduced into a steel autoclave of the RADEX system from Systag ( Switzerland) filled and hermetically sealed. This mixture was then heated at a heating rate of 45 K / h to a final temperature of 270 ° C and the thermal events were recorded (Figure 5).
Man erkennt den Beginn eines schwachen Exotherms bei einer Temperatur von etwa 200°C. Bei 200°C liegt der Druck bei etwa 6 bar. One recognizes the beginning of a weak exotherm at a temperature of about 200 ° C. At 200 ° C, the pressure is about 6 bar.
Beispiel 4: Bestimmung der elektrochemischen Stabilität von 1 ,4-Diisocyanato- 2,3,5,6-tetramethylbenzol F Example 4 Determination of the electrochemical stability of 1,4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene F
Die elektrochemische Stabilität und die Reversibilität des Oxidationsschrittes wurden über Zyklovoltannnnetrie bestimmt. Dafür wurden 0,01 M 1 , 4-Diisocyanato-2, 3,5,6- tetramethylbenzol in 1 M LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode (mit einer Oberfläche von 0,196 cm2) bei einer Potentialvorschubgeschwindigkeit von 100 mV/s untersucht. Der erste Oxidationsschritt der Substanz startet bei ca. 4,5 V vs. Li/Li+. Während des Rückwärts-Scans wird ein entsprechender reduktiver Peak beobachtet, d.h. die Oxidation / Reduktion erfolgt reversibel (siehe Abb. 7). The electrochemical stability and the reversibility of the oxidation step were determined by cyclic voltammetry. To this end, 0.01 M of 1,4-diisocyanato-2, 3,5,6-tetramethylbenzene in 1 M LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) was added to a glassy carbon electrode (having a surface area of 0.196 cm 2 ) a potential feed rate of 100 mV / s examined. The first oxidation step of the substance starts at approx. 4.5 V vs. Li / Li + . During the backward scan, a corresponding reductive peak is observed, ie the oxidation / reduction is reversible (see Fig. 7).
VergleichsbeispieM : Stabilität einer LiPF6-basierten Elektrolytlösung enthaltend 0,1 mol/L 4-Methoxyphenylisocyanat H Comparative Example: Stability of a LiPF 6 -based electrolytic solution containing 0.1 mol / L of 4-methoxyphenylisocyanate H
Die elektrochemische Stabilität und die Reversibilität des Oxidationsschrittes wurden über Zyklovoltammetrie bestimmt. Dafür wurden 0,1 mol/L 4-Methoxyphenylisocyanat in 1 mol/L LiPF6 / EC-DMC (1 :1 nach Gewicht) an einer Glaskohlenstoffelektrode (mit einer Oberfläche von 0,196 cm2) bei einer Potentialvorschubsgeschwindigkeit von 100 mV/s untersucht. Der erste Oxidationsschritt der Substanz startet bei ca. 4,3 V vs. Li/Li+. Während des Rückwärts-Scans wird kein entsprechender reduktiver Peak beobachtet, d.h. die Oxidation ist irreversibel (s, Abb. 2). Vergleichsbeispiel 2: Stabilität einer LiPF6-basierten Elektrolytlösung ohne erfindungsgemäßes Additiv The electrochemical stability and the reversibility of the oxidation step were determined by cyclic voltammetry. For this, 0.1 mol / L of 4-methoxyphenyl isocyanate in 1 mol / L of LiPF 6 / EC-DMC (1: 1 by weight) was tested on a glassy carbon electrode (having a surface area of 0.196 cm 2 ) at a potential feed rate of 100 mV / s , The first oxidation step of the substance starts at about 4.3 V vs. Li / Li + . During the backward scan no corresponding reductive peak is observed, ie the oxidation is irreversible (s, Fig. 2). Comparative Example 2: Stability of a LiPF 6 -based electrolytic solution without inventive additive
In einer Argon-gefüllten Handschuhbox wurden 0,76 g einer 1 1 %igen LiPF6-Lösung in Ethylencarbonat/Ethylmethylcarbonat (Gewichtsverhältnis 1 :1 ) in einen Stahlautoklaven des RADEX-Systems der Firma Systag (Schweiz) gefüllt und hermetisch verschlossen. Diese Mischung wurde dann mit einer Heizrate von 45 K/h bis zu einer Endtemperatur von 270°C aufgeheizt und die thermischen Ereignisse sowie der Druck wurden registriert (Abb. 6). In an argon-filled glove box 0.76 g of a 1 1% LiPF 6 solution in ethylene carbonate / ethyl methyl carbonate (weight ratio 1: 1) in a steel autoclave of the RADEX system of Systag (Switzerland) filled and hermetically sealed. This mixture was then heated at a heating rate of 45 K / h to a final temperature of 270 ° C and the thermal events as well as the pressure were recorded (Figure 6).
Man erkennt den Beginn eines schwachen Exotherms bei einer Temperatur von etwa 180°C. Bei 200°C liegt der Druck bei etwa 10 bar. One recognizes the beginning of a weak exotherm at a temperature of about 180 ° C. At 200 ° C, the pressure is about 10 bar.
Die erfindungsgemäße Elektrolytlöung aus Beispiel 3 zeigt erst bei höheren Temperaturen Zersetzungserscheinungen, d.h. das Additiv F stabilisiert die Elektrolytlösung. The electrolyte solution according to the invention from Example 3 shows decomposition phenomena only at higher temperatures, i. the additive F stabilizes the electrolyte solution.

Claims

Patentansprüche Nichtwassriger Elektrolyt einer galvanischen Zelle enthaltend ein redoxaktives Additiv, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv einer Struktur der allgenneinen Formeln A oder B Non-aqueous electrolyte of a galvanic cell containing a redox-active additive, characterized in that the additive of a structure of the general formulas A or B
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
A B mit  A B with
X = O, S oder Se X = O, S or Se
Y = N oder C; Z = O, S oder NR (R= Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) Y = N or C; Z = O, S or NR (R = alkyl having 1 -8 C atoms)
R1, R2, R3 = unabhängig voneinander NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C- Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C- Atomen) R 1 , R 2 , R 3 = independently of one another NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR ( R = alkyl having 1 to 8 C atoms, may also contain further alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl having 1 -8 C atoms)
R4 = H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) R 4 = H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C-atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl with 1 to 8 C atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl with 1 -8 C atoms)
R5 = lediglich für Y = C; H, NCS, NCO, Alkyl (1 bis 8 C-Atome), Perfluoralkyl (CnF2n+i mit n = 1 -8), Aryl, F oder Cl, CN, OR (R=Alkyl mit 1 bis 8 C-Atomen, kann auch weitere Alkoxygruppen enthalten), NR2 (R=Alkyl mit 1 -8 C-Atomen) entspricht und es mindestens eine Isocyanat- oder/und Isothiocyanat- oder/und Isoselenocyanatgruppe aufweist. R 5 = only for Y = C; H, NCS, NCO, alkyl (1 to 8 C atoms), perfluoroalkyl (C n F 2n + i with n = 1 -8), aryl, F or Cl, CN, OR (R = alkyl having 1 to 8 C atoms) Atoms, may also contain other alkoxy groups), NR 2 (R = alkyl having 1 -8 carbon atoms) corresponds and it has at least one isocyanate and / or isothiocyanate and / or Isoselenocyanatgruppe.
2. Nichtwassriger Elektrolyt nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das redoxaktive Additiv mindestens zwei Isocyanat- oder/und Isothiocyanatgruppen oder/und Isoselenocyanatgruppe enthält. 2. Non-aqueous electrolyte according to claim 1, characterized in that the redox-active additive contains at least two isocyanate and / or isothiocyanate groups and / or isoselenocyanate group.
3. Nichtwassriger Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das redoxaktive Additiv mindestens zwei Isocyanat- oder/und Isothiocyanatgruppen enthält und alle vorhandenen Substituenten R1 bis R4 ungleich H sind, d.h. dass der aromatische oder heteroaromatische Ring vollständig substituiert vorliegt. 3. A non-aqueous electrolyte according to claim 1 or 2, characterized in that the redox-active additive contains at least two isocyanate and / or isothiocyanate groups and all substituents present R 1 to R 4 are not H, ie that the aromatic or heteroaromatic ring is fully substituted.
4. Nichtwässriger Elektrolyt nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 1 ,4-Diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzol enthält. 4. Non-aqueous electrolyte according to claim 1 to 3, characterized in that it contains 1, 4-diisocyanato-2,3,5,6-tetramethylbenzene.
5. Nichtwässriger Elektrolyt nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er in gelförmiger oder flüssiger Form vorliegt. 5. Non-aqueous electrolyte according to claim 1 to 4, characterized in that it is in gel or liquid form.
6. Nichtwässriger Elektrolyt nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das redoxaktive Additiv in einer Konzentration von mindestens 0,01 mol/l, bevorzugt mindestens 0,05 mol/l und besonders bevorzugt mindestens 0,1 mol/l enthalten ist. 6. Non-aqueous electrolyte according to claim 1 to 5, characterized in that the redox-active additive in a concentration of at least 0.01 mol / l, preferably at least 0.05 mol / l and particularly preferably at least 0.1 mol / l is included.
7. Nichtwässriger Elektrolyt nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er organische, aprotische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kohlensäureestern, cyclischen Ethern, Polyethern, Nitrilen, Lactonen sowie ionischen Flüssigkeiten, Lithiumleitsalze und das oder die redoxaktiven Additive enthält. 7. A non-aqueous electrolyte according to claim 1 to 6, characterized in that it contains organic, aprotic solvent selected from the group consisting of: carbonic acid esters, cyclic ethers, polyethers, nitriles, lactones and ionic liquids, lithium salts and the or the redox-active additives.
8. Nichtwässriger Elektrolyt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Tetrahydropyran, Tetrahydrofuran, 1 ,2-Dimethoxyethan, Diethylenglykoldimethylether, Acetonitril, Adiponitril, Malodinitril, Glutaronitril, γ- Butyrolacton oder deren Mischungen Imidazoliumsalze, LiPF6, Lithiumfluoroalkylphosphate, LiBF , Imidsalze, L1OSO2CF3, Methidsalze, LiCIO4, Lithiumchelatoborate, Lithiumfluorochelatoborate, Lithiumchelatophosphate, Lithiumfluorochelatophosphate und/oder Lithiumhalogenide sowie gegebenenfalls weitere stabilisierende Additive und polare Polymere enthält. 8. A non-aqueous electrolyte according to claim 7, characterized in that it dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate, tetrahydropyran, tetrahydrofuran, 1, 2-dimethoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, adiponitrile, malononitrile, glutaronitrile, γ-butyrolactone or mixtures thereof imidazolium salts , LiPF 6 , Lithiumfluoroalkylphosphate, LiBF, Imidsalze, L1OSO2CF3, Methidesalze, LiCIO 4 , Lithiumchelatoborate, Lithiumfluorochelatoborate, Lithiumchelatophosphate, Lithiumfluorochelatophosphate and / or lithium halides and optionally further stabilizing additives and polar polymers.
9. Galvanisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass es einen nichtwässrigen Elektrolyten mit einem redoxaktiven Additiv der allgemeinen Formeln A oder B enthält. 9. Galvanic element, characterized in that it contains a nonaqueous electrolyte with a redox-active additive of the general formulas A or B.
10. Galvanisches Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kathodenmaterial lithiierte Schicht- oder spinellstrukturierte Metallinsertionskathodenmaterialien, solche mit Olivinstruktur, nichtlithiierte Metallinsertionsverbindungen oder Konversionskathodenmaterialien enthält. 10. Galvanic element according to claim 9, characterized in that it contains as the cathode material lithiierte layer or spinellstrukturierte metal insertion cathode materials, those with olivine structure, non-lithiated metal insertion compounds or conversion cathode materials.
1 1 . Galvanisches Element nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kathodenmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: UC0O2, LiNiO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiNio,8oCo0,i5Alo,o5O2, LiMn2O4, LiNio.5Mn 1.5O4, LiFePO4, LiMnPO4, elektrolytischer Braunstein, Vanadiumoxide, NiF2, CoF2, FeF2, FeF3, BiOxF3-2x, FeOF enthält. 1 1. Galvanic element according to claim 10, characterized in that it is a cathode material selected from the group consisting of: UC0O2, LiNiO2, Li (Ni, Mn, Co) O 2 , LiNio, 8oCo 0 , i5Alo, o5O 2 , LiMn 2 O 4 , LiNio.5Mn 1.5O4, LiFePO 4, LiMnPO 4, electrolytic manganese dioxide, vanadium oxides, NiF 2, CoF 2, FeF 2, FeF 3, BiO x F x 3-2, fEOF contains.
12. Galvanisches Element nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass als Anodenmaterial Graphit, Lithiumtitanspinell, (teil)lithiierte Übergangsmetallnitride Lithiummetall, Lithiumlegierungen oder Konversionsanodenmaterialien enthält. 12. Galvanic element according to claim 9, characterized in that contains as the anode material graphite, lithium titanium spinel, (partially) lithiated transition metal nitrides lithium metal, lithium alloys or conversion anode materials.
13. Galvanisches Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Anodenmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Li2 6Coo,4N, LiCuo,4N oder feinverteiltes Magnesiumhydrid enthält. 13. Galvanic element according to claim 12, characterized in that it contains an anode material selected from the group consisting of: Li 2 6 Coo, 4 N, LiCuo, 4 N or finely divided magnesium hydride.
14. Galvanisches Element mit nichtwäßrigem Elektrolyten gem. Anspruch 8-10 dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidationspotential des erfindungsgemäßen Additivs mindestens 0,1 V, bevorzugt mindestens 0,2 V und bevorzugt höchstens 0,8 V über dem des verwendeten Katodenmaterials liegt. 14. Galvanic element with non-aqueous electrolyte acc. Claims 8-10 characterized in that the oxidation potential of the additive according to the invention is at least 0.1 V, preferably at least 0.2 V and preferably at most 0.8 V above that of the cathode material used.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110183356A (en) * 2019-05-20 2019-08-30 江苏蓝丰生物化工股份有限公司 Replace the application of the preparation method and non-nitrile polar organic solvent of class paraphenylene diisocyanate in its preparation

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014109237A1 (en) * 2014-07-02 2016-01-07 Clariant Produkte (Deutschland) Gmbh Lithium-ion battery with reduced gas evolution
CN105036091A (en) * 2015-09-18 2015-11-11 花垣县强桦矿业有限责任公司 Method for recycling selenium from electrolytic manganese filter pressing residue
DE102015218189A1 (en) * 2015-09-22 2017-03-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Lithium-ion cell
CN109585919B (en) * 2018-11-06 2020-08-28 欣旺达电子股份有限公司 Lithium ion battery and electrolyte thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10042149A1 (en) * 1999-09-17 2001-05-17 Merck Patent Gmbh Non-aqueous electrolyte used as a component of lithium ion battery or superconductor, comprises fluorine-containing conducting salt, organic solvent and organic isocyanate
JP2002008719A (en) * 2000-06-27 2002-01-11 Mitsui Chemicals Inc Nonaqueous electrolyte and secondary battery using the same
US6905762B1 (en) * 2001-02-13 2005-06-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Non-aqueous electrolyte solutions comprising additives and non-aqueous electrolyte cells comprising the same
JP2006012713A (en) * 2004-06-29 2006-01-12 Asahi Denka Kogyo Kk Nonaqueous electrolyte and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same
EP2190054A1 (en) * 2007-09-12 2010-05-26 Mitsubishi Chemical Corporation Nonaqueous electrolyte solution for secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery
WO2012115119A1 (en) * 2011-02-22 2012-08-30 三菱化学株式会社 Non-aqueous electrolyte solution and battery using same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070072085A1 (en) 2005-09-26 2007-03-29 Zonghai Chen Overcharge protection for electrochemical cells
US8367253B2 (en) 2006-02-02 2013-02-05 U Chicago Argonne Llc Lithium-ion batteries with intrinsic pulse overcharge protection
CN102918701B (en) 2010-05-25 2017-05-03 U芝加哥阿尔贡股份有限公司 Polyether-functionalized redox shuttle additives for lithium ion batteries
US8968940B2 (en) 2010-05-25 2015-03-03 Uchicago Argonne, Llc Redox shuttles for high voltage cathodes
US8877390B2 (en) 2010-05-25 2014-11-04 Uchicago Argonne, Llc Redox shuttles for lithium ion batteries

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10042149A1 (en) * 1999-09-17 2001-05-17 Merck Patent Gmbh Non-aqueous electrolyte used as a component of lithium ion battery or superconductor, comprises fluorine-containing conducting salt, organic solvent and organic isocyanate
JP2002008719A (en) * 2000-06-27 2002-01-11 Mitsui Chemicals Inc Nonaqueous electrolyte and secondary battery using the same
US6905762B1 (en) * 2001-02-13 2005-06-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Non-aqueous electrolyte solutions comprising additives and non-aqueous electrolyte cells comprising the same
JP2006012713A (en) * 2004-06-29 2006-01-12 Asahi Denka Kogyo Kk Nonaqueous electrolyte and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same
EP2190054A1 (en) * 2007-09-12 2010-05-26 Mitsubishi Chemical Corporation Nonaqueous electrolyte solution for secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery
WO2012115119A1 (en) * 2011-02-22 2012-08-30 三菱化学株式会社 Non-aqueous electrolyte solution and battery using same
US20130337317A1 (en) * 2011-02-22 2013-12-19 Mitsubishi Chemical Corporation Nonaqueous electrolytic solution, and battery using same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. KOREPP ET AL: "Isocyanate compounds as electrolyte additives for lithium-ion batteries", JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 174, no. 2, 6 December 2007 (2007-12-06), pages 387 - 393, XP025917571, ISSN: 0378-7753, [retrieved on 20071206], DOI: 10.1016/J.JPOWSOUR.2007.06.141 *
S.S. ZHANG ET AL: "Aromatic isocyanate as a new type of electrolyte additive for the improved performance of Li-ion batteries", JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 163, no. 1, 7 December 2006 (2006-12-07), pages 567 - 572, XP027938506, ISSN: 0378-7753, [retrieved on 20061207] *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110183356A (en) * 2019-05-20 2019-08-30 江苏蓝丰生物化工股份有限公司 Replace the application of the preparation method and non-nitrile polar organic solvent of class paraphenylene diisocyanate in its preparation

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DE102013225596A1 (en) 2014-06-12

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