DE-102024132436-A1 - LITHIUM-SEKUNDÄRBATTERIE UMFASSEND EINEN NICHTWÄSSRIGEN ELEKTROLYTEN UMFASSEND EIN NICHTWÄSSRIGES LÖSUNGSMITTEL UND EIN GEMISCHTES LITHIUMSALZ

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumsekundärbatterie, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen nichtwässrigen Elektrolyten; wobei der nichtwässrige Elektrolyt ein nichtwässriges Lösungsmittel und ein Lithiummischsalz umfasst; das Lithiummischsalz ein Fluorsulfonylimid-basiertes Lithiumsalz und LiPF 6 umfasst; die Kathode einen Kathodenstromabnehmer umfasst; der Kathodenstromabnehmer Aluminium umfasst; die Kathode ferner ein Kathodenaktivmaterial umfasst; und das Kathodenaktivmaterial lithiummanganreiches Oxid umfasst.

Inventors

• Isidora Cekic-Laskovic
• Marian-Cristian Stan
• Gunther Brunklaus
• Gerrit Michael Overhoff
• Martin Winter

Assignees

• Forschungszentrum Jülich GmbH
• LG ENERGY SOLUTION, LTD.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (10)

1. Lithium-Sekundärbatterie, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen nichtwässrigen Elektrolyten; wobei - der nichtwässrige Elektrolyt ein nichtwässriges Lösungsmittel und ein gemischtes Lithiumsalz umfasst; - das gemischte Lithiumsalz ein auf Fluorsulfonylimid basierendes Lithiumsalz und LiPF 6 umfasst; - die Kathode einen Kathodenstromabnehmer umfasst; - der Kathodenstromabnehmer Aluminium umfasst; - die Kathode ferner ein Kathodenaktivematerial umfasst; und - das Kathodenaktivematerial lithiummanganreiches Oxid umfasst.
2. Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1 , wobei ein Molverhältnis von auf Fluorsulfonylimid basierendem Lithiumsalz zu LiPF 6 in dem gemischten Lithiumsalz im Bereich von 0,2 bis 1 liegt.
3. Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1 , wobei ein Molverhältnis von auf Fluorsulfonylimid basierendem Lithiumsalz zu LiPF 6 in dem gemischten Lithiumsalz größer als 1 ist.
4. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auf Fluorsulfonylimid basierende Lithiumsalz ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) und Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI).
5. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nichtwässrige Lösungsmittel Ethylencarbonat (EC), Ethylmethylcarbonat (EMC) oder eine Mischung davon umfasst.
6. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nichtwässrige Lösungsmittel ferner mindestens eines umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluorethylencarbonat (FEC), 1,3,2-Dioxathiolan-2,2-dioxid (DTD), 1,3-Propansulton (PS) und Vinylencarbonat (VC).
7. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gemischte Lithiumsalz ferner Lithiumtetrafluorborat (LiBF 4 ) umfasst.
8. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lithiummanganreiche Oxid Li 1,34 Ni 0,35 Mn 0,65 O 2 ist.
9. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lithiumsekundärbatterie eine münzartige Lithiumsekundärbatterie ist.
10. Lithiumsekundärbatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Teile der Lithiumsekundärbatterie aus Edelstahl hergestellt sind, der mit Aluminium, Al 2 O 3 oder einer Mischung davon beschichtet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Sekundärbatterie umfassend einen nichtwässrigen Elektrolyten umfassend ein nichtwässriges Lösungsmittel und ein gemischtes Lithiumsalz. TECHNISCHER HINTERGRUND Die Nachfrage nach sekundären Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) steigt aufgrund des expandierenden Marktes für Elektrofahrzeuge (EV) und des wachsenden Bedarfs an Energiespeicherlösungen. Um einer solchen Nachfrage gerecht zu werden, muss die Energiedichte solcher LIBs-Systeme verbessert werden. Es ist erwähnenswert, dass sich Forschungs- und Entwicklungsbemühungen hauptsächlich auf die Verbesserung der Energiedichte, der Sicherheit und der Zykluslebensdauer von LIBs zu erschwinglichen Kosten konzentriert haben. Aus diesem Grund ist es notwendig, neuartige Elektrodenmaterialien und Elektrolyte zu entwickeln. Geschichtete Übergangsmetalloxide, wie lithiummanganreiches Oxid (LMR), können als Kathodenmaterialien dienen. Zusätzlich haben Anodenmaterialien mit hoher Kapazität, wie Siliziumelektroden, das Potential, die Energiedichte zu erhöhen. Die Stabilisierung der Zwischenphasenschicht auf der Oberfläche beider Elektroden, während die Auflösung von Übergangsmetallen verhindert wird, bleibt jedoch aufgrund von Problemen mit herkömmlichen Elektrolytlösungen eine Herausforderung. Darüber hinaus kann es ratsam sein, alternative lithiumionenleitende Salze anstelle von LiPF6 aufgrund seiner schlechten thermischen Stabilität und hohen Hydrolyseanfälligkeit in Betracht zu ziehen. Dies könnte potentiell zum Abbau der aktiven Materialien beitragen und zu einer Verringerung der elektrochemischen Leistung der Zelle führen. Um das Problem von Nebenreaktionen anzugehen, kann es vorteilhaft sein, alternative lithiumionenleitende Salze in Betracht zu ziehen. Es hat sich gezeigt, dass diese Salze die Hochtemperaturstabilität verbessern und den Abbau von Elektrodenmaterialien verhindern, indem sie eine stabile Elektrolyt-Zwischenphasenschicht auf der Oberfläche von aktiven Materialien bilden. Die am häufigsten verwendeten lithiumionenleitenden Salze, die thermisch stabiler und elektrodenmaterialverträglicher als LiPF6 sind, sind solche, die auf Fluorsulfonylimid-Anion basieren. Beispiele für solche Salze sind Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) und Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiFSI). Im Vergleich zu LiPF6 sind diese Salze thermisch stabiler und bieten eine größere Stabilität des Elektrodenmaterials. Die Verwendung dieser Salze wirft jedoch Bedenken hinsichtlich der Stabilität des positiven Elektrodenstromabnehmers aus Aluminium (Al) und seiner Kompatibilität mit den Edelstahlteilen (SUS) der Knopfzellen auf. Dies ist insbesondere oberhalb eines bestimmten Spannungspegels, bei dem die Redoxreaktion des LMR-Kathodenmaterials stattfindet, offensichtlich. Die Zugabe einer niedrigen Konzentration von LiPF6 zu der LiFSI-Salzelektrolytformulierung befasst sich mit dem Stabilitätsproblem des positiven Elektrodenstromabnehmers, löst jedoch das Kompatibilitätsproblem mit Edelstahlteilen der Knopfzelle nicht vollständig. Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um die Instabilität von LiFSI mit den Komponenten der Edelstahlteile (SUS) der Knopfzellen abzuschwächen. In der von Wu et al. (Electrochemistry Communications, 2021, 129, 107088) durchgeführten Studie wurde der Elektrolyt auf LiFSI-Basis untersucht. Es wurde eine Beutelzellenkonfiguration verwendet, in der keine Edelstahlteile vorhanden waren. Der Elektrolyt bestand entweder aus 1,25 M LiPF6 oder 1,25 M LiFSI in EC/EMC (30/70 Gew.-%). Liu et al. (JES, 2019, 166, A3959) haben gezeigt, dass die Verwendung eines Elektrolyten auf ionischer Flüssigkeitsbasis mit hochkonzentriertem LiFSI-Salz (5 M LiFSI gelöst in N-Methyl-N-propylpiperidinium-FSI (PMpipFSI)) die Auflösung von Edelstahl im Vergleich zu einem 1 M LiFSI in PMpipFSI-Elektrolyt wirksam verhindern kann. Darüber hinaus verbesserten sich die elektrochemischen Eigenschaften der NMC532 | | Li-Zellen dramatisch. Luo et al. (Electrochimica Acta, 2022, 419, 140353) schlugen einen Ansatz vor, um die Auflösung von Edelstahl zu überwinden, indem die Menge an Lösungsmittelmolekülen reduziert wird, in denen sich die Auflösungsprodukte auflösen könnten. Die Autoren haben gezeigt, dass die Verwendung von hochkonzentrierten Elektrolyten (HCE) (z. B. 5 M LiFSI in EC/DMC 30:70 (nach Volumen)) sowie durch Verwendung von lokalisierten hochkonzentrierten Elektrolyten (LHCE), bei denen 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,2-trifluorethylether mit dem HCE in einem Verhältnis von 1:1 gemischt wurde, zu einer niedrigeren Auflösung von Edelstahl bis zu 5 V führt. OFFENBARUNG Technisches Problem Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Elektrolyten zur Verwendung in einer Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen, der Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Elektrolyten zur Verbesserung der Zykluslebensdauer einer Lit