JP7566754B2 - Localized ultra-concentrated electrolytes for silicon anodes - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本出願は米国特許出願第16/247,143号(2019年1月14日出願、これはその全体が参照によって本明細書中に組み込まれる)の一部継続出願である。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 16/247,143, filed January 14, 2019, which is incorporated by reference in its entirety.
政府支援の謝辞
本発明は、米国エネルギー省によって認められる契約番号DE-AC05-76RL01830のもとでの政府支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
ACKNOWLEDGEMENT OF GOVERNMENT SUPPORT This invention was made with Government support under Contract No. DE-AC05-76RL01830 awarded by the U.S. Department of Energy. The Government has certain rights in this invention.
分野
本発明は、ケイ素系または炭素/ケイ素複合体系のアノードを含むシステムの安定な繰り返し使用のための局在化超高濃度電解質であって、活性塩と、活性塩が可溶性である溶媒と、活性塩が不溶性または難溶性である希釈剤とを含む局在化超高濃度電解質に関する。
FIELD The present invention relates to a localized ultra-high concentration electrolyte for stable repeated use of a system including a silicon-based or carbon/silicon composite-based anode, the localized ultra-high concentration electrolyte comprising an active salt, a solvent in which the active salt is soluble, and a diluent in which the active salt is insoluble or poorly soluble.
概要
ケイ素系または炭素/ケイ素複合体系のアノードを有するリチウムイオンバッテリーにおいて使用されるための局在化超高濃度電解質(LSE)(これはまた局在化高濃度電解質(LHCE)として示される)が開示される。そのようなLSEを含むシステムもまた開示される。
SUMMARY A localized very-high concentration electrolyte (LSE), also referred to as a localized high concentration electrolyte (LHCE), for use in lithium-ion batteries having silicon-based or carbon/silicon composite-based anodes is disclosed. A system including such an LSE is also disclosed.
開示されたシステムのいくつかの実施形態では、ケイ素を含むアノード、および(a)リチウムカチオンを含む活性塩と、(b)(i)炭酸フルオロエチレン(FEC)以外の炭酸エステル、(ii)難燃剤化合物、または(iii)(i)および(ii)の両方を含む非水性溶媒(ここで、活性塩は非水性溶媒に可溶性である)と、(c)フルオロアルキルエーテル、フッ素化オルトギ酸エステル、またはそれらの組み合わせを含む希釈剤(ここで、活性塩は非水性溶媒における活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である希釈剤における溶解度を有する)とを含む電解質が含まれる。いくつかの実施形態において、電解質はさらに、0.1~30wt%のFECを含む。システムはさらにカソードを含み得る。 Some embodiments of the disclosed system include an anode comprising silicon, and an electrolyte comprising (a) an active salt comprising lithium cations, (b) a non-aqueous solvent comprising (i) a carbonate other than fluoroethylene carbonate (FEC), (ii) a flame retardant compound, or (iii) both (i) and (ii), where the active salt is soluble in the non-aqueous solvent, and (c) a diluent comprising a fluoroalkyl ether, a fluorinated orthoformate ester, or a combination thereof, where the active salt has a solubility in the diluent that is at least 10 times lower than the solubility of the active salt in the non-aqueous solvent. In some embodiments, the electrolyte further comprises 0.1-30 wt % FEC. The system may further comprise a cathode.
上記実施形態のいずれにおいても、活性塩は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiBETI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiClO4、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiSCN、LiNO3、LiNO2、Li2SO4、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態において、活性塩は電解質において0.5~6Mの範囲内のモル濃度を有する。 In any of the above embodiments, the active salt may include lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiClO 4 , lithium difluorooxalatoborate (LiDFOB), LiI, LiBr, LiCl, LiSCN, LiNO 3 , LiNO 2 , Li 2 SO 4 , or any combination thereof. In some embodiments, the active salt has a molar concentration in the electrolyte in the range of 0.5 to 6 M.
いくつかの実施形態において、非水性溶媒はFEC以外の炭酸エステルを含む。ある特定の実施形態において、炭酸エステルは、炭酸エチレン(EC)と炭酸エチル(EMC)との混合物である。いくつかの実施形態において、非水性溶媒は、有機リン酸エステル、有機亜リン酸エステル、有機ホスホン酸エステル、有機ホスホルアミド、ホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む難燃剤化合物を含む。ある特定の実施形態において、難燃剤化合物は、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル;亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル);メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、フェニルホスホン酸ジエチル、メチルホスホン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル);ヘキサメチルホスホルアミド;ヘキサメトキシホスファゼン、ヘキサフルオロホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む。 In some embodiments, the non-aqueous solvent comprises a carbonate ester other than FEC. In certain embodiments, the carbonate ester is a mixture of ethylene carbonate (EC) and ethyl carbonate (EMC). In some embodiments, the non-aqueous solvent comprises a flame retardant compound comprising an organic phosphate ester, an organic phosphite ester, an organic phosphonate ester, an organic phosphoramide, a phosphazene, or any combination thereof. In certain embodiments, the flame retardant compound comprises triethyl phosphate, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl phosphate; trimethyl phosphite, triphenyl phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphite; dimethyl methylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, diethyl phenylphosphonate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methylphosphonate; hexamethylphosphoramide; hexamethoxyphosphazene, hexafluorophosphazene, or any combination thereof.
上記実施形態のいずれにおいても、希釈剤は、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)、1,1,2,2,-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル(TFTFE)、メトキシノナフルオロブタン(MOFB、エトキシノナフルオロブタン(EOFB)、オルトギ酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)(TFEO)、オルトギ酸トリス(ヘキサフルオロイソプロピル)(THFiPO)、オルトギ酸トリス(2,2-ジフルオロエチル)(TDFEO)、オルトギ酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル(BTFEMO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)(TPFPO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)(TTPO)、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル(OTE)、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態において、希釈剤は、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせを含む。 In any of the above embodiments, the diluent is bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE), 1,1,2,2,-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether (TFTFE), methoxynonafluorobutane (MOFB, ethoxynonafluorobutane (EOFB), tris(2,2,2-trifluoroethyl)orthoformate (TFEO), tris(hexafluoroisopropyl)orthoformate (THFiPO ... Bis(2,2-difluoroethyl) orthoformate (TDFEO), bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl orthoformate (BTFEMO), tris(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) orthoformate (TPFPO), tris(2,2,3,3-tetrafluoropropyl) orthoformate (TTPO), 1H,1H,5H-octafluoropentyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether (OTE), or any combination thereof. In some embodiments, the diluent comprises BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof.
いくつかの実施形態において、電解質は、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCまたはTEPaと、0~30wt%のFEC(例えば、0wt%のFEC、5~30wt%のFEC、または5~10wt%のFEC)と、希釈剤とを含み、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせを含む。1つの実施形態において、電解質はEC-EMCを含み、EC-EMC対希釈剤のモル比が1~4の範囲の範囲内であり、例えば、1~3などの範囲の範囲内である。別の実施形態において、電解質はTEPaを含み、TEPa対希釈剤のモル比が1~4の範囲の範囲内であり、例えば、2~4などの範囲の範囲内である。 In some embodiments, the electrolyte comprises 1-3M LiFSI, EC-EMC or TEPa in a ratio of 4:6 to 2:8 by weight, 0-30 wt% FEC (e.g., 0 wt% FEC, 5-30 wt% FEC, or 5-10 wt% FEC), and a diluent, where the diluent comprises BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof. In one embodiment, the electrolyte comprises EC-EMC and the molar ratio of EC-EMC to diluent is within the range of 1-4, such as within the range of 1-3. In another embodiment, the electrolyte comprises TEPa and the molar ratio of TEPa to diluent is within the range of 1-4, such as within the range of 2-4.
上記実施形態のいずれにおいても、アノードは黒鉛/ケイ素複合体を含み得る。いくつかの実施形態において、アノードはさらに、ポリアクリル酸リチウムバインダー、ポリイミドバインダーまたはカルボキシメチルセルロースバインダーを含む。ある特定の実施形態において、ケイ素は炭素被覆のナノケイ素である。 In any of the above embodiments, the anode may include a graphite/silicon composite. In some embodiments, the anode further includes a lithium polyacrylate binder, a polyimide binder, or a carboxymethyl cellulose binder. In certain embodiments, the silicon is carbon-coated nanosilicon.
いくつかの実施形態において、アノードは、ポリイミドバインダーを有する黒鉛/ケイ素複合体を含み、ケイ素は炭素被覆のナノケイ素であり、電解質は、1~3MのLiFSIと、TEPaと、0~30wt%のFECと、希釈剤とを含み、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対希釈剤のモル比が1~4の範囲の範囲内であり、例えば、2~4などの範囲の範囲内である。ある特定の実施形態において、アノードはプレリチウム化され、システムはさらにカソードを含み、システムは100サイクル後において80%以上の容量保持率を有する。 In some embodiments, the anode comprises a graphite/silicon composite with a polyimide binder, the silicon is carbon-coated nanosilicon, the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, TEPa, 0-30 wt % FEC, and a diluent, where the diluent is BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to diluent is within the range of 1-4, such as within the range of 2-4. In certain embodiments, the anode is prelithiated, the system further comprises a cathode, and the system has a capacity retention of 80% or greater after 100 cycles.
いくつかの実施形態において、アノードは、ポリアクリル酸リチウムバインダーを有する黒鉛/ケイ素複合体を含み、電解質は、1~3MのLiFSIと、EC-EMC(3:7、重量比)と、0~30wt%のFECと、希釈剤とを含み、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、EC-EMC対希釈剤のモル比が1~4の範囲の範囲内であり、例えば、1~3などの範囲の範囲内である。ある特定の実施形態において、システムはさらにカソードを含み、100サイクル後において70%以上の容量保持率を有する。 In some embodiments, the anode comprises a graphite/silicon composite with a lithium polyacrylate binder, and the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, EC-EMC (3:7, by weight), 0-30 wt % FEC, and a diluent, where the diluent is BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of EC-EMC to diluent is within the range of 1-4, such as within the range of 1-3. In certain embodiments, the system further comprises a cathode and has a capacity retention of 70% or greater after 100 cycles.
本発明の上記の目的、特徴および利点、ならびに他の目的、特徴および利点が、添付された図面を参照して進められる下記の詳細な説明からより明らかになるであろう。 The above objects, features and advantages of the present invention, as well as other objects, features and advantages, will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
詳細な説明
本開示は、リチウムイオンバッテリーシステムなどの様々なシステムにおいて使用されるための局在化超高濃度電解質(LSE)の様々な実施形態に関する。LSEを含むシステムもまた開示される。開示されたLSEのいくつかの実施形態は、ケイ素系、炭素/ケイ素系、炭素系(例えば、黒鉛系および/または硬質炭素系)、スズ系またはアンチモン系のアノードと、様々なカソード材料とを有する電気化学的電池において安定である。LSEは、活性塩と、活性塩が可溶性である溶媒と、活性塩が不溶性または難溶性である希釈剤とを含む。
DETAILED DESCRIPTION The present disclosure relates to various embodiments of localized ultra-high concentration electrolytes (LSEs) for use in various systems, such as lithium ion battery systems. Systems including the LSEs are also disclosed. Some embodiments of the disclosed LSEs are stable in electrochemical cells having silicon-based, carbon/silicon-based, carbon-based (e.g., graphite-based and/or hard carbon-based), tin-based or antimony-based anodes and various cathode materials. The LSEs include an active salt, a solvent in which the active salt is soluble, and a diluent in which the active salt is insoluble or poorly soluble.
I.定義および略号
用語および略語の下記の説明は、本開示をよりよく説明するために、また、本開示の実施において当業者を導くために提供される。本明細書中で使用される場合、「comprising」(含む)は「including」(含む)を意味し、単数形態である「a」または「an」または「the」は、文脈から別途明確に示される場合を除き、複数である参照物を包含する。用語「or」(または/あるいは/もしくは)は、文脈から別途明確に示される場合を除き、明記された代替要素のただ1つの要素、または2もしくはそれを超える要素の組み合わせを示す。
I. Definitions and Abbreviations The following explanations of terms and abbreviations are provided to better explain the present disclosure and to guide those of ordinary skill in the art in the practice of the present disclosure. As used herein, "comprising" means "including" and the singular forms "a" or "an" or "the" include plural references unless the context clearly indicates otherwise. The term "or" refers to only one element of the specified alternative elements or a combination of two or more elements, unless the context clearly indicates otherwise.
別途説明される場合を除き、本明細書中で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者に対して一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中に記載される方法および材料と類似するまたは同等である方法および材料を本開示の実施または試験において使用することができるが、好適な方法および材料が下記において記載される。これらの材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。本開示の他の特徴が、下記の詳細な説明と、請求項とから明らかである。 Unless otherwise explained, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood to one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of this disclosure, suitable methods and materials are described below. These materials, methods, and examples are illustrative only and are not intended to be limiting. Other features of the present disclosure will be apparent from the following detailed description and claims.
別途示されている場合を除き、成分量、分子量、容量モル濃度、電圧および容量などを表すすべての数字は、本明細書または請求項において使用される場合、用語「約」によって修飾されるとして理解されなければならない。したがって、暗示的または明示的に別途示されている場合を除き、あるいは文脈から、より明確な構成を有すると当業者によって適切に理解される場合を除き、示される数値パラメーターは、当業者には知られているような標準的な試験条件/方法のもとで探られる所望の特性および/またはそのような標準的な試験条件/方法のもとでの検出限界に依存することがある近似値である。実施形態を議論された先行技術から直接的および明示的に区別するときには、実施形態の数字は、単語「約」が記載される場合を除き、近似値ではない。 Unless otherwise indicated, all numbers expressing amounts of ingredients, molecular weights, molarity, voltages, volumes, and volumes, etc., when used in the specification or claims should be understood as being modified by the term "about". Thus, unless otherwise indicated, implicitly or explicitly, or appropriately understood by one of ordinary skill in the art from the context to have a clearer configuration, the numerical parameters indicated are approximations that may depend on the desired properties sought under standard test conditions/methods and/or the detection limits under such standard test conditions/methods as known to those of ordinary skill in the art. When directly and explicitly distinguishing the embodiments from the prior art discussed, the numbers of the embodiments are not approximations unless the word "about" is stated.
様々な代替が、本明細書中に示される様々な成分、パラメーター、動作条件などについて存在するが、そのことは、それらの代替が必ずしも同等であることおよび/または等しく申し分なく機能することを意味していない。そしてまた、そのことは、これらの代替が、別途明記される場合を除き、好ましい順序で列挙されることも意味していない。 Although various alternatives exist for the various components, parameters, operating conditions, etc., set forth herein, that does not mean that the alternatives are necessarily equivalent and/or will function equally satisfactorily, nor is it meant that the alternatives are listed in any order of preference, unless otherwise expressly stated.
化学における様々な一般的用語の定義が、Richard J.Lewis,Sr.(編)、Hawley’s Condensed Chemical Dictionary(John Wiley&Sons,Inc.発行、2016年)(ISBN978-1-118-13515-0)に見出されることがある。
本開示の様々な実施形態の再検討を容易にするために、特定の用語の下記の説明が提供される。
Definitions of various common terms in chemistry may be found in Richard J. Lewis, Sr. (ed.), Hawley's Condensed Chemical Dictionary (published by John Wiley & Sons, Inc., 2016) (ISBN 978-1-118-13515-0).
In order to facilitate review of the various embodiments of the disclosure, the following explanations of specific terms are provided:
活性塩:本明細書中で使用される場合、用語「活性塩」は、初充電の後におけるバッテリーの繰り返し使用の期間中のレドックス反応に関与するレドックス活物質の少なくとも5%を構成する塩を示す。
AN:アセトニトリル
Active Salt: As used herein, the term "active salt" refers to a salt that constitutes at least 5% of the redox active material that participates in redox reactions during repeated use of the battery after the initial charge.
AN: acetonitrile
アノード:電荷が有極性の電気デバイスに流入する電極。電気化学的観点からは、負荷電のアニオンがアノードに向かって移動し、そして/または正荷電のカチオンが、外部回路を通って出て行く電子と釣り合うためにアノードから離れる。放電するバッテリーまたはガルバニ電池において、アノードは、電子が流出する負端子である。アノードが金属から構成されるならば、アノードが外部回路に渡す電子には、電極から離れ、電解質内に移動する金属カチオンが付随する。バッテリーが再充電されるときには、アノードは、電子が流入し、金属カチオンが還元される正端子となる。 Anode: The electrode through which charge flows in a polar electrical device. From an electrochemical perspective, negatively charged anions migrate toward the anode and/or positively charged cations leave the anode to balance the electrons leaving through the external circuit. In a discharging battery or galvanic cell, the anode is the negative terminal through which electrons flow out. If the anode is composed of a metal, the electrons it passes to the external circuit are accompanied by metal cations that leave the electrode and migrate into the electrolyte. When the battery is recharged, the anode becomes the positive terminal through which electrons flow and where metal cations are reduced.
会合した(する):ここで使用される場合、用語「会合した(する)」は、~に配位した(する)、または、~によって溶媒和された(される)を意味する。例えば、溶媒分子と会合するカチオンは溶媒分子に配位し、または溶媒分子によって溶媒和される。溶媒和は、溶媒分子が溶質の分子またはイオンにより引き付けられることである。会合は、カチオンと溶媒分子との間における電子的相互作用(例えば、イオン-双極子相互作用および/またはファンデルワールス力)に起因し得る。配位は、1またはそれを超える配位結合がカチオンと溶媒原子の電子孤立対との間で形成されることを示す。配位結合はまた、カチオンと溶質のアニオンとの間で生じ得る。 Associated: As used herein, the term "associated" means coordinated to or solvated by. For example, a cation that is associated with a solvent molecule is coordinated to or solvated by the solvent molecule. Solvation is the attraction of the solvent molecule to the solute molecule or ion. Association can be due to electronic interactions between the cation and the solvent molecule (e.g., ion-dipole interactions and/or van der Waals forces). Coordination indicates that one or more coordinate bonds are formed between the cation and the electron lone pair of a solvent atom. Coordination bonds can also occur between a cation and an anion of the solute.
架橋溶媒:極性の末端または部分および非極性の末端または部分を有する両親媒性分子を有する溶媒。
BTFE:ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル
Bridged Solvent: A solvent having amphiphilic molecules that have a polar end or portion and a non-polar end or portion.
BTFE: bis(2,2,2-trifluoroethyl) ether
容量:バッテリーの容量は、バッテリーが送達することができる電荷の量である。容量は典型的にはmAhまたはAhの単位で表され、バッテリーが1時間の期間にわたってもたらすことができる最大定電流を示している。例えば、100mAhの容量を有するバッテリーは100mAの電流を1時間にわたって、または5mAの電流を20時間にわたって送達することができる。面積容量または比面積容量は電極(または活物質)表面の単位面積あたりの容量であり、典型的にはmAhcm-2の単位で表される。 Capacity: The capacity of a battery is the amount of charge that the battery can deliver. Capacity is typically expressed in units of mAh or Ah and indicates the maximum constant current that the battery can deliver over a period of one hour. For example, a battery with a capacity of 100 mAh can deliver a current of 100 mA for one hour, or a current of 5 mA for 20 hours. Areal capacity or specific areal capacity is the capacity per unit area of electrode (or active material) surface, typically expressed in units of mAh cm -2 .
カーボンブラック:炭素の微細分割形態、これは典型的には、気化した重油留分の不完全燃焼によって作製されるものである。カーボンブラックはまた、クラッキングまたは燃焼によってメタンまたは天然ガスから作製することができる。 Carbon black: A finely divided form of carbon, typically produced by the incomplete combustion of vaporized heavy petroleum fractions. Carbon black can also be produced from methane or natural gas by cracking or combustion.
炭素/ケイ素複合体:本明細書中で使用される場合、炭素/ケイ素複合体の用語は、炭素(例えば、黒鉛および/または硬質炭素など)とケイ素との両方を含む材料を示す。複合体が、組み合わされたときには個々の成分の特徴とは異なる特徴を有する物質をもたらす2またはそれを超える構成材料から作製される。炭素/ケイ素複合体が、例えば、黒鉛およびケイ素の粉末が埋め込まれるピッチの熱分解によって調製され得る(例えば、Wenら、Electrochem Comm 2003,5(2):165-168を参照のこと)。 Carbon/silicon composite: As used herein, the term carbon/silicon composite refers to a material that contains both carbon (e.g., graphite and/or hard carbon) and silicon. Composites are made from two or more constituent materials that, when combined, result in a material with characteristics that differ from those of the individual components. Carbon/silicon composites can be prepared, for example, by pyrolysis of pitch in which graphite and silicon powders are embedded (see, for example, Wen et al., Electrochem Comm 2003, 5(2):165-168).
カソード:電荷が有極性の電気デバイスから流出する電極。電気化学的観点からは、正荷電のカチオンが常にカソードに向かって移動し、そして/または負荷電のアニオンが、外部回路から到達する電子と釣り合うためにカソードから離れる。放電するバッテリーまたはガルバニ電池において、カソードは、規約電流の方向に対して正端子である。この外向きの電荷が、正イオンが還元され得る高電位のカソードに電解質から移動する正イオンによって内部では運ばれる。バッテリーが再充電されるとき、カソードは、電子が流出し、金属原子(またはカチオン)が酸化される負端子になる。 Cathode: The electrode from which charge flows out of a polar electrical device. From an electrochemical point of view, positively charged cations always move toward the cathode and/or negatively charged anions move away from the cathode to balance electrons arriving from the external circuit. In a discharging battery or galvanic cell, the cathode is the positive terminal with respect to the direction of the current flow. This outward charge is carried internally by positive ions moving from the electrolyte to the cathode at a higher potential where they can be reduced. When the battery is recharged, the cathode becomes the negative terminal from which electrons flow out and metal atoms (or cations) are oxidized.
電池(セル):本明細書中で使用される場合、電池(セル)は、電圧または電流を化学反応から生じさせるために、または化学反応が電流によって誘発される逆のことを生じさせるために使用される電気化学的デバイスを示す。例には、とりわけ、ボルタ電池、電解セルおよび燃料電池が含まれる。バッテリーは1またはそれを超える電池を含む。用語「電池」および用語「バッテリー」は、ただ1つのみの電池を含有するバッテリーを示すときには交換可能に使用される。 Cell: As used herein, cell refers to an electrochemical device used to produce a voltage or current from a chemical reaction, or vice versa, where a chemical reaction is induced by an electric current. Examples include voltaic cells, electrolytic cells, and fuel cells, among others. A battery contains one or more cells. The terms "cell" and "battery" are used interchangeably when referring to a battery that contains only one cell.
コイン電池:小さい、典型的には円形状のバッテリー。コイン電池は、その直径および厚さによって特徴づけられる。 Coin cell: A small, typically circular battery. Coin cells are characterized by their diameter and thickness.
転換化合物:バッテリーが放電するときに別の金属によって入れ替わる1またはそれを超えるカチオンを含む化合物。例えば、セレン化鉄(II)(FeSe)がカソード材料として使用されるときには、Feが、Naバッテリーの放電時にはNaによって置き換えられる。
2Na++2e-+FeSe ←→ Na2Se+Fe
Conversion Compound: A compound containing one or more cations that are replaced by another metal when the battery is discharged. For example, when iron(II) selenide (FeSe) is used as the cathode material, Fe is replaced by Na when a Na battery is discharged.
2Na + +2e - +FeSe ←→ Na 2 Se + Fe
クーロン効率(CE):電気化学反応を容易にするシステムにおいて電荷が伝達される効率。CEが、放電サイクル期間中にバッテリーから出る電荷量を充電サイクル期間中にバッテリーに入る電荷量によって除したものとして定義され得る。Li||Cu電池またはNa||Cu電池のCEが、剥奪プロセス期間中にバッテリーから流出する電荷量をめっきプロセス期間中にバッテリーに入る電荷量によって除したものとして定義され得る。
DEC:炭酸ジエチル
DMC:炭酸ジメチル
DME:1,2-ジメトキシエタン
DMSO:ジメチルスルホキシド
DOL:1,3-ジオキソラン
Coulombic Efficiency (CE): The efficiency with which charge is transferred in a system that facilitates an electrochemical reaction. CE may be defined as the amount of charge leaving a battery during a discharge cycle divided by the amount of charge entering the battery during a charge cycle. The CE of a Li||Cu or Na||Cu battery may be defined as the amount of charge leaving the battery during a stripping process divided by the amount of charge entering the battery during a plating process.
DEC: Diethyl carbonate DMC: Dimethyl carbonate DME: 1,2-dimethoxyethane DMSO: Dimethyl sulfoxide DOL: 1,3-dioxolane
ドナー数:ルイス塩基性の定量的尺度、例えば、カチオンを溶媒和する溶媒能力など。ドナー数が、ドナー数が0である1,2-ジクロロエタンでの希薄溶液におけるルイス塩基とSbCl5との間での1:1の付加物形成についての負のエンタルピー値として定義される。ドナー数は典型的にはkcal/molの単位で報告される。例えば、アセトニトリルはドナー数が14.1kcal/molである。別の一例として、ジメチルスルホキシドはドナー数が29.8kcal/molである。
EC:炭酸エチレン
Donor Number: A quantitative measure of Lewis basicity, such as the ability of a solvent to solvate a cation. The donor number is defined as the negative enthalpy value for the formation of a 1:1 adduct between a Lewis base and SbCl5 in dilute solution in 1,2-dichloroethane, where the donor number is 0. Donor numbers are typically reported in units of kcal/mol. For example, acetonitrile has a donor number of 14.1 kcal/mol. As another example, dimethylsulfoxide has a donor number of 29.8 kcal/mol.
EC: Ethylene carbonate
電解質:電気伝導性媒体として挙動する、遊離イオンを含有する物質。電解質は一般には、溶液においてイオンを含み、しかし、溶融電解質および固体電解質もまた知られている。
EMC:炭酸エチルメチル
EMS:エチルメチルスルホン
EOFB:エトキシノナフルオロブタン
EVS:エチルビニルスルホン
FEC:炭酸フルオロエチレン
FCE:初回クーロン効率
Electrolyte: A substance containing free ions that behaves as an electrically conductive medium. Electrolytes generally contain ions in solution, although molten and solid electrolytes are also known.
EMC: Ethyl methyl carbonate EMS: Ethyl methyl sulfone EOFB: Ethoxynonafluorobutane EVS: Ethyl vinyl sulfone FEC: Fluoroethylene carbonate FCE: Initial coulombic efficiency
難燃剤:本明細書中で使用される場合、用語「難燃剤」は、電解質に十分な量で組み込まれたとき、電解質を本明細書中で定義されるように不燃性または難燃性にする作用因を示す。 Flame retardant: As used herein, the term "flame retardant" refers to an agent that, when incorporated in a sufficient amount into an electrolyte, renders the electrolyte non-flammable or flame retardant as defined herein.
可燃性(の):用語「可燃性(の)」は、容易に発火し、急速に燃えることになる材料を示す。本明細書中で使用される場合、用語「不燃性(の)」は、電解質を含む電気化学的デバイスの動作期間中に電解質が発火することまたは燃えることがないことを意味する。本明細書中で使用される場合、用語「難燃性(の)」および用語「低可燃性」は交換可能であり、電解質の一部がいくつかの条件のもとで発火することがあること、しかし、生じた発火が電解質全体に伝播することがないことを意味する。可燃性は、電解質の自己消火時間(SET)を求めることによって見積もることができる。SETは、修正されたUnderwriters Laboratories試験規格94HBによって求められる。電解質が、0.05~0.10gの電解質を吸収することが可能である不活性な球状の灯心(例えば、直径が約0.3~0.5cmである球状の灯芯など)に固定化される。その後、灯心に点火され、炎が消える時間が記録される。時間はサンプル重量に対して正規化される。電解質が着火しないならば、SETは0であり、電解質は不燃性である。SETが6s/g未満である(例えば、炎が約0.5秒以内に消える)電解質もまた、不燃性であると見なされる。SETが20s/gを超えるならば、電解質は可燃性であると見なされる。SETが6~20s/gの間であるならば、電解質は難燃性であると見なされ、または低い可燃性を有すると見なされる。 Flammable: The term "flammable" refers to a material that will ignite easily and burn rapidly. As used herein, the term "nonflammable" means that the electrolyte will not ignite or burn during operation of an electrochemical device that contains the electrolyte. As used herein, the terms "flammable" and "low flammability" are interchangeable and mean that a portion of the electrolyte may ignite under some conditions, but the resulting ignition will not propagate through the electrolyte. Flammability can be estimated by determining the self-extinguishing time (SET) of the electrolyte. SET is determined by a modified Underwriters Laboratories test standard 94HB. The electrolyte is immobilized in an inert spherical wick (such as a spherical wick with a diameter of about 0.3 to 0.5 cm) that is capable of absorbing 0.05 to 0.10 g of electrolyte. The wick is then ignited and the time for the flame to extinguish is recorded. Time is normalized to sample weight. If the electrolyte does not ignite, the SET is 0 and the electrolyte is non-flammable. Electrolytes with a SET below 6 s/g (e.g., the flame goes out within about 0.5 seconds) are also considered to be non-flammable. If the SET is above 20 s/g, the electrolyte is considered to be flammable. If the SET is between 6-20 s/g, the electrolyte is considered to be flame-retardant or have low flammability.
フッ素化オルトギ酸エステル:下記の一般式を有するフッ素化化合物:
フルオロアルキル:少なくとも1つのH原子がF原子によって置き換えられているアルキル基。ペルフルオロアルキル基は、すべてのH原子がF原子によって置き換えられているアルキル基である。 Fluoroalkyl: An alkyl group in which at least one H atom is replaced by an F atom. A perfluoroalkyl group is an alkyl group in which all H atoms are replaced by F atoms.
フルオロアルキルエーテル(ヒドロフルオロエーテル、HFE):本明細書中で使用される場合、フルオロアルキルエーテルおよびHFEの用語は、一般式R-O-R’(式中、RおよびR’の一方がフルオロアルキルであり、RおよびR’の他方がフルオロアルキルまたはアルキルである)を有するフッ素化エーテルを示す。アルキル鎖は直鎖または分枝状であり得る。本エーテルはペルフルオロ化され得、この場合、RおよびR’のそれぞれがペルフルオロアルキルである。RおよびR’は互いに同じであり得、または互いに異なり得る。 Fluoroalkyl ethers (hydrofluoroethers, HFEs): As used herein, the terms fluoroalkyl ethers and HFEs refer to fluorinated ethers having the general formula R-O-R', where one of R and R' is a fluoroalkyl and the other of R and R' is a fluoroalkyl or an alkyl. The alkyl chain can be linear or branched. The ethers can be perfluorinated, in which case each of R and R' is a perfluoroalkyl. R and R' can be the same as each other or different from each other.
硬質炭素:難黒鉛化性の炭素材料。高温(例えば、1500℃超)において、硬質炭素は実質的に非晶質のままであり、これに対して、「軟質」炭素は、結晶化を受け、黒鉛状になるであろう。 Hard carbon: A carbon material that is not easily graphitized. At high temperatures (e.g., above 1500°C), hard carbon remains substantially amorphous, whereas "soft" carbon will undergo crystallization and become graphitic.
非混和性(の):この用語は、均一に混合され得ないまたはブレンドされ得ない同じ物質状態の2つの物質を表す。油および水が、2つの非混和性液体の一般的な一例である。 Immiscible: This term describes two substances of the same physical state that cannot be homogeneously mixed or blended. Oil and water are a common example of two immiscible liquids.
層間侵入:物質(例えば、イオンまたは分子)が別の物質の微細構造の中に入ることを示す用語。例えば、リチウムイオンは黒鉛(C6)に入り込み、すなわち、層間侵入して、リチウム化黒鉛(LiC6)を形成することができる。
LiFSI:リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド
LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド
LiBOB:ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム
LiDFOB:ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム
LiPAA:ポリアクリル酸リチウム
LSE:局在化超高濃度電解質
MEC:メチレンエチレンカーボネート(methylene ethylene carbonate)
MOFB:メトキシノナフルオロブタン
OTE:1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル
PC:炭酸プロピレン
Intercalation: A term indicating that a substance (e.g., ion or molecule) enters the microstructure of another substance. For example, lithium ions can enter or intercalate into graphite ( C6 ) to form lithiated graphite ( LiC6 ).
LiFSI: Lithium bis(fluorosulfonyl)imide LiTFSI: Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide LiBOB: Lithium bis(oxalato)borate LiDFOB: Lithium difluorooxalatoborate LiPAA: Lithium polyacrylate LSE: Localized ultra-high concentration electrolyte MEC: Methylene ethylene carbonate
MOFB: Methoxynonafluorobutane OTE: 1H,1H,5H-octafluoropentyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether PC: Propylene carbonate
リン酸エステル:本明細書中で使用される場合、リン酸エステルは、一般式P(=O)(OR)3(式中、それぞれのRは独立してアルキル(例えば、C1~C10アルキル)またはアリールである)を有するオルガノリン酸エステルを示す。それぞれのアルキル基またはアリール基は置換または非置換であり得る。 Phosphate ester: As used herein, phosphate ester refers to an organophosphate ester having the general formula P(=O)(OR) 3 , where each R is independently alkyl (e.g., C1 - C10 alkyl) or aryl. Each alkyl or aryl group can be substituted or unsubstituted.
亜リン酸エステル:本明細書中で使用される場合、亜リン酸エステルは、P(OR)3またはHP(O)(OR)2の一般式(式中、それぞれのRは独立してアルキル(例えば、C1~C10アルキル)またはアリールである)を有するオルガノ亜リン酸エステルを示す。それぞれのアルキル基またはアリール基は置換または非置換であり得る。 Phosphite: As used herein, phosphite refers to an organophosphite having the general formula P(OR) 3 or HP(O)(OR) 2 , where each R is independently alkyl (e.g., C1 - C10 alkyl) or aryl. Each alkyl or aryl group can be substituted or unsubstituted.
ホスホン酸エステル:一般式P(=O)(OR)2(R’)(式中、それぞれのRおよびR’は独立してアルキル(例えば、C1~C10アルキル)またはアリールである)を有する化合物。それぞれのアルキル基またはアリール基は置換または非置換であり得る。 Phosphonate ester: A compound having the general formula P(═O)(OR) 2 (R′), where each R and R′ is independently alkyl (e.g., C 1 -C 10 alkyl) or aryl. Each alkyl or aryl group can be substituted or unsubstituted.
ホスホルアミド:一般式P(=O)(NR2)3(式中、それぞれのRは独立して、水素、アルキル(例えば、C1~C10アルキル)またはアルコキシ(例えば、C1~C10アルコキシ)である)を有する化合物。少なくとも1つのRが水素でない。それぞれのアルキル基またはアリール基は置換または非置換であり得る。 Phosphoramide: A compound having the general formula P(=O)( NR2 ) 3 , where each R is independently hydrogen, alkyl (e.g., C1 - C10 alkyl), or alkoxy (e.g., C1 - C10 alkoxy). At least one R is not hydrogen. Each alkyl or aryl group can be substituted or unsubstituted.
ホスファゼン:リン原子が窒素原子または窒素含有基に二重結合によって共有結合で連結され、および3つの他の原子または基に単結合によって共有結合で連結される化合物。
PI:ポリイミド
Phosphazene: A compound in which a phosphorus atom is covalently linked by a double bond to a nitrogen atom or nitrogen-containing group and by single bonds to three other atoms or groups.
PI: Polyimide
セパレーター:バッテリーセパレーターは、アノードとカソードとの間に置かれる多孔質のシートまたはフィルムである。セパレーターは、イオン輸送を容易にしながら、アノードとカソードとの間での物理的接触を防止する。 Separator: A battery separator is a porous sheet or film placed between the anode and cathode. The separator prevents physical contact between the anode and cathode while facilitating ion transport.
可溶性(の):溶媒に分子的またはイオン的に分散されて、均一な溶液を形成することが可能である。本明細書中で使用される場合、用語「可溶性(の)」は、活性塩が少なくとも1mol/L(M、容量モル濃度)または少なくとも1mol/kg(m、質量モル濃度)の所与溶媒における溶解度を有することを意味する。 Soluble: Capable of being molecularly or ionically dispersed in a solvent to form a homogeneous solution. As used herein, the term "soluble" means that the active salt has a solubility in a given solvent of at least 1 mol/L (M, molar concentration) or at least 1 mol/kg (m, molar concentration).
溶液:2またはそれを超える物質から構成される均一な混合物。溶質(微量成分)が溶媒(主成分)に溶解される。複数の溶質および/または複数の溶媒が溶液に存在し得る。 Solution: A homogeneous mixture of two or more substances. A solute (minor component) is dissolved in a solvent (major component). Multiple solutes and/or multiple solvents can be present in a solution.
超高濃度(の):本明細書中で使用される場合、用語「超高濃度電解質」は、塩濃度が少なくとも3Mである電解質を示す。
TDFEO:オルトギ酸トリス(2,2-ジフルオロエチル)
TEPa:リン酸トリエチル
TFEO:オルトギ酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)
TFTFE:1,1,2,2,-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル
THFiPO:オルトギ酸トリス(ヘキサフルオロイソプロピル)
TMPa:リン酸トリメチル
TMTS:テトラメチレンスルホンまたはテトラメチレンスルホラン
TPFPO:オルトギ酸トリス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)
TTE:1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル
TTPO:オルトギ酸トリス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)
VC:炭酸ビニレン
VEC:4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン
Ultra-concentrated: As used herein, the term "ultra-concentrated electrolyte" refers to an electrolyte having a salt concentration of at least 3M.
TDFEO: Tris(2,2-difluoroethyl) orthoformate
TEPa: triethyl phosphate TFEO: tris(2,2,2-trifluoroethyl) orthoformate
TFTFE: 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether THFiPO: tris(hexafluoroisopropyl) orthoformate
TMPa: trimethyl phosphate TMTS: tetramethylene sulfone or tetramethylene sulfolane TPFPO: tris(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) orthoformate
TTE: 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether TTPO: tris(2,2,3,3-tetrafluoropropyl) orthoformate
VC: vinylene carbonate VEC: 4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one
II.局在化超高濃度電解質
超高濃度電解質は、溶媒と、塩濃度が少なくとも3Mである塩とを含む。いくつかの超高濃度電解質は塩濃度が少なくとも4Mまたは少なくとも5Mである。ある特定の事例において、塩の質量モル濃度が最大で20mまたはそれを超え得る(例えば、水性LiTFSI)。図1は、溶媒と、リチウム塩とを含む従来の超高濃度電解質の概略的例示である。望ましくは、溶媒分子のすべてまたは大部分が超高濃度電解質におけるリチウムカチオンと会合する。遊離している非会合溶媒分子の低下した存在は、リチウム金属アノードのクーロン効率(CE)、ならびに/あるいは炭素(例えば、黒鉛および/または硬質炭素)系および/またはケイ素系のアノードの中へのLiイオンの可逆的挿入を増大させること、安定化された固体電解質界面(SEI)層の形成を容易にすること、ならびに/あるいは電解質を含むバッテリーのサイクル安定性を増大させることをもたらし得る。しかしながら、超高濃度電解質は、例えば、材料コストが大きい、粘度が大きい、ならびに/あるいはバッテリーセパレーターおよび/または電極の濡れが不良であるなどの短所を有する。さらなる溶媒による希釈により、これらの短所の1つまたは複数を解決することができるが、希釈は遊離の溶媒分子をもたらし、多くの場合にはCEを低下させ、安定化SEI層の形成を妨げ、および/またはバッテリーのサイクル安定性を低下させる。
II. Localized Ultra-High Concentration Electrolytes Ultra-high concentration electrolytes include a solvent and a salt with a salt concentration of at least 3M. Some ultra-high concentration electrolytes have a salt concentration of at least 4M or at least 5M. In certain cases, the salt molar concentration can be up to 20m or more (e.g., aqueous LiTFSI). Figure 1 is a schematic illustration of a conventional ultra-high concentration electrolyte including a solvent and a lithium salt. Desirably, all or most of the solvent molecules are associated with the lithium cations in the ultra-high concentration electrolyte. The reduced presence of free non-associated solvent molecules can result in increasing the coulombic efficiency (CE) of lithium metal anodes and/or the reversible insertion of Li ions into carbon (e.g., graphite and/or hard carbon)-based and/or silicon-based anodes, facilitating the formation of a stabilized solid electrolyte interface (SEI) layer, and/or increasing the cycling stability of batteries including the electrolyte. However, ultra-high concentration electrolytes have drawbacks, such as high material costs, high viscosity, and/or poor wetting of battery separators and/or electrodes, etc. Dilution with additional solvent can address one or more of these drawbacks, but dilution results in free solvent molecules that often reduce the CE, prevent the formation of a stable SEI layer, and/or reduce the cycling stability of the battery.
図2は、例示的な「局在化超高濃度電解質」(LSE)の概略的例示である。LSEは、リチウム塩と、リチウム塩が可溶性である溶媒と、リチウム塩が不溶性または難溶性である希釈剤とを含む。図2に示されるように、リチウムイオンは、希釈剤添加後も溶媒分子と会合したままである。アニオンもまた、リチウムイオンに近接して存在するか、またはリチウムイオンと会合する。したがって、溶媒-カチオン-アニオン凝集体の局在化領域が形成される。対照的に、リチウムイオンおよびアニオンは希釈剤分子と会合しておらず、そのため、これらは溶液において遊離したままである。局所的高濃度塩/溶媒の領域と、遊離希釈剤分子の領域とを有するこの電解質構造の証拠が、ラマン分光法(例えば、米国特許出願公開第2018/0251681号(A1)(これは参照によって本明細書中に組み込まれる)に示されるように)、NMR特徴づけおよび分子動力学(MD)シミュレーションによって示される。したがって、全体としての溶液は図1の溶液よりも高濃度ではないが、リチウムカチオンが溶媒分子と会合する高濃度の局在化領域が存在する。希釈された電解質には遊離の溶媒分子がほとんどまたは全く存在しておらず、それにより、超高濃度電解質の利点が、関連した短所を伴うことなくもたらされる。 FIG. 2 is a schematic illustration of an exemplary "localized superconcentrated electrolyte" (LSE). The LSE includes a lithium salt, a solvent in which the lithium salt is soluble, and a diluent in which the lithium salt is insoluble or poorly soluble. As shown in FIG. 2, the lithium ions remain associated with the solvent molecules after the addition of the diluent. Anions also reside in close proximity to or associate with the lithium ions. Thus, localized regions of solvent-cation-anion aggregates are formed. In contrast, the lithium ions and anions are not associated with the diluent molecules, and therefore they remain free in solution. Evidence of this electrolyte structure, with regions of localized high salt/solvent concentration and regions of free diluent molecules, is shown by Raman spectroscopy (e.g., as shown in U.S. Patent Application Publication No. 2018/0251681 A1, which is incorporated herein by reference), NMR characterization, and molecular dynamics (MD) simulations. Thus, although the overall solution is less concentrated than the solution in FIG. 1, there are localized regions of high concentration where the lithium cations are associated with the solvent molecules. Dilute electrolytes have few or no free solvent molecules, thereby providing the benefits of ultra-concentrated electrolytes without the associated disadvantages.
従来の電解質および従来の超高濃度電解質は多くの場合、ケイ素を含むアノードを有するバッテリーシステムにおいて、ほんの限られたサイクル寿命をもたらすにすぎない。LSEの中にもまた、ケイ素を含むアノードに関して、不良な結果をもたらすものがある。いくつかの事例において、電解質とケイ素含有アノードとの適合性が少なくとも部分的には、アノードに存在するバインダーの組成に依存する。しかしながら、開示されたLSEのある特定の実施形態では、上記で議論される問題の一部またはすべてを解決することができる。炭素/ケイ素複合体系のアノードを含めてケイ素含有アノードとの適合性を有することに加えて、開示されたLSEのいくつかの実施形態はまた、炭素系、スズ系および/またはアンチモン系のアノードとの適合性を有する。 Conventional electrolytes and conventional ultra-high concentration electrolytes often provide only limited cycle life in battery systems with silicon-containing anodes. Some LSEs also provide poor results with silicon-containing anodes. In some cases, the compatibility of the electrolyte with the silicon-containing anode depends, at least in part, on the composition of the binder present in the anode. However, certain embodiments of the disclosed LSEs can solve some or all of the problems discussed above. In addition to being compatible with silicon-containing anodes, including carbon/silicon composite-based anodes, some embodiments of the disclosed LSEs are also compatible with carbon-based, tin-based and/or antimony-based anodes.
開示されたLSEの様々な実施形態が、活性塩と、溶媒A(ここで、活性塩は溶媒Aに可溶性である)と、希釈剤(ここで、活性塩は希釈剤に不溶性または難溶性である)とを含む。本明細書中で使用される場合、「難溶性(の)」は、活性塩が、溶媒Aにおける活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である希釈剤における溶解度を有することを意味する。 Various embodiments of the disclosed LSE include an active salt, a solvent A, where the active salt is soluble in solvent A, and a diluent, where the active salt is insoluble or sparingly soluble in the diluent. As used herein, "sparingly soluble" means that the active salt has a solubility in the diluent that is at least one-tenth of the solubility of the active salt in solvent A.
溶媒Aにおける活性塩の溶解度は(希釈剤の非存在下では)、3Mを超え得、例えば、少なくとも4Mまたは少なくとも5Mなどであり得る。いくつかの実施形態において、溶媒Aにおける活性塩の溶解度および/または濃度は3M~10Mの範囲内であり、例えば、3M~8M、4M~8M、または5M~8Mなどの範囲内である。ある特定の実施形態において、例えば、溶媒Aが水を含むときなどでは、濃度は、質量モル濃度に換算して表され得、溶媒Aにおける活性塩の濃度が(希釈剤の非存在では)、3m~25mの範囲内であり得、例えば、5m~21m、または10m~21mなどの範囲内であり得る。対照的に、全体としての電解質(塩、溶媒Aおよび希釈剤)における活性塩のモル濃度またはモラル濃度は、溶媒Aにおける活性塩のモル濃度またはモラル濃度よりも少なくとも20%小さくあり得、例えば、溶媒Aにおける活性塩のモル濃度またはモル濃度よりも少なくとも30%小さく、少なくとも40%小さく、少なくとも50%小さく、少なくとも60%小さく、またはさらに少なくとも70%小さくあり得る。例えば、電解質における活性塩のモル濃度またはモラル濃度は、溶媒Aにおける活性塩のモル濃度またはモラル濃度よりも20~80%小さく、20~70%小さく、30~70%小さく、または30~50%小さくあり得る。いくつかの実施形態において、電解質における活性塩のモル濃度は、0.5M~6M、0.5M~3M、0.5M~2M、0.75M~2M、または0.75M~1.5Mの範囲内である。 The solubility of the active salt in solvent A (in the absence of diluent) may be greater than 3M, such as at least 4M or at least 5M. In some embodiments, the solubility and/or concentration of the active salt in solvent A is in the range of 3M to 10M, such as in the range of 3M to 8M, 4M to 8M, or 5M to 8M. In certain embodiments, such as when solvent A includes water, the concentration may be expressed in terms of molar concentration, and the concentration of the active salt in solvent A (in the absence of diluent) may be in the range of 3m to 25m, such as in the range of 5m to 21m, or 10m to 21m. In contrast, the molar or moral concentration of the active salt in the electrolyte as a whole (salt, solvent A and diluent) can be at least 20% less than the molar or moral concentration of the active salt in solvent A, for example, at least 30% less, at least 40% less, at least 50% less, at least 60% less, or even at least 70% less than the molar or moral concentration of the active salt in solvent A. For example, the molar or moral concentration of the active salt in the electrolyte can be 20-80% less, 20-70% less, 30-70% less, or 30-50% less than the molar or moral concentration of the active salt in solvent A. In some embodiments, the molar concentration of the active salt in the electrolyte is in the range of 0.5M to 6M, 0.5M to 3M, 0.5M to 2M, 0.75M to 2M, or 0.75M to 1.5M.
活性塩は、電解質を含む電池の充電プロセスおよび放電プロセスに関与する塩または塩の組み合わせである。活性塩は、異なる酸化状態および還元状態を有するレドックス対を形成することが可能であるカチオン、例えば、酸化状態が異なるイオン種、または金属カチオンおよびその対応する中性金属原子などを含む。いくつかの実施形態において、活性塩は、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、またはそれらの任意の組み合わせである。活性塩はリチウム塩またはリチウム塩の混合物であり得る。例示的な塩には、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(LiTFSI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2、LiCF3SO3、LiClO4、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiOH、LiNO3、Li2SO4、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、塩は、LiFSI、LiTFSI、またはそれらの組み合わせである。ある特定の実例において、塩はLiFSIである。 The active salt is a salt or combination of salts that participates in the charging and discharging process of a battery containing an electrolyte. The active salt includes a cation that can form a redox pair with different oxidation and reduction states, such as ionic species with different oxidation states, or a metal cation and its corresponding neutral metal atom. In some embodiments, the active salt is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, or any combination thereof. The active salt can be a lithium salt or a mixture of lithium salts. Exemplary salts include, but are not limited to, lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI ) , lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), LiPF6 , LiAsF6 , LiBF4, LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN( SO2F ) 2 , LiCF3SO3, LiClO4, lithium difluorooxalatoborate ( LiDFOB ), LiI , LiBr, LiCl , LiOH, LiNO3 , Li2SO4 , and combinations thereof. In some embodiments, the salt is LiFSI, LiTFSI, or a combination thereof. In certain instances, the salt is LiFSI.
溶媒は活性塩または活性塩混合物のカチオンと会合する(例えば、活性塩または活性塩混合物のカチオンを溶媒和する、あるいは活性塩または活性塩混合物のカチオンに配位する)。活性塩と、溶媒とを含む超高濃度電解質として調製されるとき、溶媒-カチオン-アニオン凝集体が生じる。開示された超高濃度電解質のいくつかの実施形態は、より低濃度の電解質が使用されるとき、および/または他の溶媒が使用されるときには不安定であることがあるアノード(例えば、炭素系および/またはケイ素系、スズ系、あるいはアンチモン系のアノード)、カソード(イオン層間化合物および転換化合物を含むカソード)、および/または集電体(例えば、Cu、Al)に対して安定である。 The solvent associates with (e.g., solvates or coordinates with) the cations of the active salt or active salt mixture. When prepared as a super-concentrated electrolyte containing the active salt and a solvent, a solvent-cation-anion aggregate results. Some embodiments of the disclosed super-concentrated electrolytes are stable with anodes (e.g., carbon- and/or silicon-, tin-, or antimony-based anodes), cathodes (cathodes containing ionic intercalation and conversion compounds), and/or current collectors (e.g., Cu, Al) that may be unstable when lower concentration electrolytes are used and/or when other solvents are used.
溶媒Aとして使用されるための好適な溶媒には、ある特定の炭酸エステル溶媒、エーテル溶媒、リン含有溶媒およびそれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、溶媒Aは、炭酸エステル溶媒、難燃剤化合物またはそれらの組み合わせを含む、あるいは炭酸エステル溶媒、難燃剤化合物またはそれらの組み合わせから本質的になる、あるいは炭酸エステル溶媒、難燃剤化合物またはそれらの組み合わせからなる。用語「から本質的になる」は、当該溶媒が他の溶媒を、例えば、エーテルおよび水などを、任意の感知され得る量(例えば、1wt%を超える量)で含まないことを意味する。好適な炭酸エステル溶媒には、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(EMC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、炭酸ジフルオロエチレン(DFEC)、炭酸トリフルオロエチレン(TFEC)、4-ビニル-1,3-ジオキソラン-2-オン(VEC)、4-メチレン-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-メチレンエチレンカーボネート(4-methylene ethylene carbonate)(MEC)、炭酸メチル2,2,2-トリフルオロエチル(MFEC)、4,5-ジメチレン-1,3-ジオキソラン-2-オンおよびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。 Suitable solvents for use as solvent A include, but are not limited to, certain carbonate ester solvents, ether solvents, phosphorus-containing solvents, and mixtures thereof. In some embodiments, solvent A comprises, or consists essentially of, a carbonate ester solvent, a flame retardant compound, or a combination thereof. The term "consists essentially of" means that the solvent does not contain other solvents, such as ethers and water, in any appreciable amount (e.g., greater than 1 wt %). Suitable carbonate ester solvents include, but are not limited to, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), trifluoroethylene carbonate (TFEC), 4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one (VEC), 4-methylene-1,3-dioxolan-2-one, 4-methylene ethylene carbonate (MEC), methyl 2,2,2-trifluoroethyl carbonate (MFEC), 4,5-dimethylene-1,3-dioxolan-2-one, and combinations thereof.
好適な難燃剤化合物には、リン含有化合物が含まれるが、これらに限定されない。溶媒Aにおける難燃剤の量は、電解質の低い可燃性または不燃性を維持するために十分である。いくつかの実施形態において、難燃剤化合物は、1またはそれを超える有機リン化合物(例えば、有機のリン酸エステル、亜リン酸エステル、ホスホン酸エステル、ホスホルアミド)、ホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む。有機のリン酸エステル、亜リン酸エステル、ホスホン酸エステル、ホスホルアミドには、置換および非置換の脂肪族およびアリールのリン酸エステル、亜リン酸エステル、ホスホン酸エステルおよびホスホルアミドが含まれる。ホスファゼンは有機または無機であり得る。例示的な難燃剤化合物には、例えば、TMPa、TEPa、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル、亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、フェニルホスホン酸ジエチル、メチルホスホン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)、ヘキサメチルホスホルアミド、ヘキサメトキシホスファゼン(cyclo-トリス(ジメトキシホスホニトリル)、ヘキサメトキシシクロトリホスファゼン)、ヘキサフルオロホスファゼン(ヘキサフルオロシクロホスファゼン)、およびそれらの組み合わせが含まれる。いくつかの実施形態において、低可燃性または不燃性のLSEは、少なくとも5wt%または少なくとも10wt%の難燃剤化合物を含む。ある特定の実施形態において、低可燃性または不燃性のLSEは5~75wt%の難燃剤化合物を含み、例えば、5~60wt%、5~50wt%、5~40wt%もしくは5~30wt%、10~60wt%、10~50wt%、10~40wt%、または10~30wt%などの難燃剤化合物を含む。 Suitable flame retardant compounds include, but are not limited to, phosphorus-containing compounds. The amount of flame retardant in solvent A is sufficient to maintain low flammability or non-flammability of the electrolyte. In some embodiments, the flame retardant compound includes one or more organic phosphorus compounds (e.g., organic phosphates, phosphites, phosphonates, phosphoramides), phosphazenes, or any combination thereof. Organic phosphates, phosphites, phosphonates, phosphoramides include substituted and unsubstituted aliphatic and aryl phosphates, phosphites, phosphonates, and phosphoramides. Phosphazenes can be organic or inorganic. Exemplary flame retardant compounds include, for example, TMPa, TEPa, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl phosphate, trimethyl phosphite, triphenyl phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphite, dimethyl methylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, diethyl phenylphosphonate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methylphosphonate, hexamethylphosphoramide, hexamethoxyphosphazene (cyclo-tris(dimethoxyphosphonitrile), hexamethoxycyclotriphosphazene), hexafluorophosphazene (hexafluorocyclophosphazene), and combinations thereof. In some embodiments, the low flammable or non-flammable LSE comprises at least 5 wt % or at least 10 wt % of a flame retardant compound. In certain embodiments, the low flammability or non-flammability LSE comprises 5-75 wt% flame retardant compound, such as 5-60 wt%, 5-50 wt%, 5-40 wt% or 5-30 wt%, 10-60 wt%, 10-50 wt%, 10-40 wt%, or 10-30 wt% flame retardant compound.
いくつかの実施形態において、溶媒Aは、FEC以外の炭酸エステル、難燃剤化合物、またはそれらの組み合わせを含む。ある特定の実施形態において、FEC以外の炭酸エステル、難燃剤化合物、またはそれらの組み合わせは、溶媒Aの少なくとも50wt%、少なくとも60wt%、少なくとも70wt%、少なくとも80wt%、または少なくとも90wt%を構成する。いくつかの実施形態において、溶媒Aは、EC、EMC、TEPa、またはそれらの組み合わせである。1つの実施形態において、溶媒AはECおよびEMCを含み、またはこれらから本質的になり、またはこれらからなり、ここで、ECおよびEMCが2:8~4:6の重量比で存在する。いくつかの実例において、溶媒Aは、比率が3:7の重量比であるEC-EMCを含む、またはそのようなEC-EMCから本質的になる、またはそのようなEC-EMCからなる。1つの独立した実施形態において、溶媒AはTEPaを含む、またはTEPaから本質的になる、またはTEPaからなる。 In some embodiments, solvent A includes a carbonate other than FEC, a flame retardant compound, or a combination thereof. In certain embodiments, the carbonate other than FEC, the flame retardant compound, or a combination thereof constitutes at least 50 wt%, at least 60 wt%, at least 70 wt%, at least 80 wt%, or at least 90 wt% of solvent A. In some embodiments, solvent A is EC, EMC, TEPa, or a combination thereof. In one embodiment, solvent A includes, consists essentially of, or consists of EC and EMC, where EC and EMC are present in a weight ratio of 2:8 to 4:6. In some instances, solvent A includes, consists essentially of, or consists of EC-EMC in a ratio of 3:7 by weight. In one independent embodiment, solvent A includes, consists essentially of, or consists of TEPa.
上記実施形態のいずれにおいても、溶媒AはさらにFECを含み得る。いくつかの実施形態において、電解質はさらに、0超~30wt%のFECを含み、例えば、0超~20wt%、0超~10wt%、0.1~30wt%のFEC、0.5~30wt%のFEC、2~30wt%のFEC、5~30wt%のFEC、2~10wt%のFEC、または5~10wt%のFECを含む。別の実施形態において、電解質は0超~10mol%のFECを含み、例えば、0.2~10mol%のFECを含む。1つの実施形態において、溶媒Aは、EC、EMCおよびFECを含み、またはこれらから本質的になり、またはこれらからなり、ここで、ECおよびEMCが2:8~4:6の重量比で存在する。いくつかの実例において、溶媒Aは、比率が重量比で3:7であるEC-EMCと、FECとを含む、またはそれらから本質的になる、またはそれらからなる。1つの独立した実施形態において、溶媒AはTEPaおよびFECを含む、またはそれらから本質的になる、またはそれらからなる。 In any of the above embodiments, solvent A may further comprise FEC. In some embodiments, the electrolyte further comprises greater than 0 to 30 wt% FEC, e.g., greater than 0 to 20 wt%, greater than 0 to 10 wt%, 0.1 to 30 wt% FEC, 0.5 to 30 wt% FEC, 2 to 30 wt% FEC, 5 to 30 wt% FEC, 2 to 10 wt% FEC, or 5 to 10 wt% FEC. In another embodiment, the electrolyte comprises greater than 0 to 10 mol% FEC, e.g., 0.2 to 10 mol% FEC. In one embodiment, solvent A comprises, consists essentially of, or consists of EC, EMC, and FEC, where EC and EMC are present in a weight ratio of 2:8 to 4:6. In some instances, solvent A comprises, consists essentially of, or consists of EC-EMC and FEC in a ratio of 3:7 by weight. In one independent embodiment, solvent A comprises, consists essentially of, or consists of TEPa and FEC.
活性塩の濃度は、電解質における遊離の溶媒A分子の数を最小限にするように選択され得る。1を超える分子の溶媒Aが活性塩の各カチオンと会合することがあるので、および/または活性塩の1を超えるカチオンが溶媒Aの各分子と会合することがあるので、活性塩対溶媒Aのモル比は1:1でない可能性がある。いくつかの実施形態において、活性塩対溶媒Aのモル比(塩モル数/溶媒Aモル数)が0.33~1.5の範囲内であり、例えば、0.5~1.5、0.67~1.5、0.8~1.2、または0.9~1.1などの範囲内である。 The concentration of the active salt may be selected to minimize the number of free solvent A molecules in the electrolyte. The molar ratio of active salt to solvent A may not be 1:1 because more than one molecule of solvent A may be associated with each cation of the active salt and/or more than one cation of the active salt may be associated with each molecule of solvent A. In some embodiments, the molar ratio of active salt to solvent A (moles salt/moles solvent A) is in the range of 0.33 to 1.5, such as 0.5 to 1.5, 0.67 to 1.5, 0.8 to 1.2, or 0.9 to 1.1.
希釈剤は、活性塩が不溶性である成分、または不良な溶解度、すなわち、溶媒Aにおける活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である溶解度を有する成分である。例えば、塩が溶媒Aにおいて5Mの溶解度を有するならば、希釈剤は、塩が希釈剤において0.5M未満の溶解度を有するように選択される。いくつかの実施形態において、活性塩は、希釈剤における活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である、少なくとも15分の1である、少なくとも20分の1である、少なくとも25分の1である、少なくとも30分の1である、少なくとも40分の1である、または少なくとも50分の1である溶媒Aにおける溶解度を有する。希釈剤は、低い活性塩濃度(例えば、3M以下)において、または活性塩を伴わない場合でさえ、アノード、カソードおよび集電体に関して安定であるように選択される。いくつかの実施形態において、希釈剤は、低い誘電率(例えば、7以下の比誘電率)および/または低いドナー数(例えば、10以下のドナー数)を有するように選択される。好都合なことに、希釈剤は活性塩と相互作用していないので、溶媒A-カチオン-アニオン凝集体の溶媒和構造を乱さず、不活性であると見なされる。言い換えれば、有意な配位または会合が希釈剤分子と活性塩カチオンとの間にない。活性塩カチオンは溶媒A分子と会合したままである。したがって、電解質が希釈されるにもかかわらず、電解質には遊離の溶媒A分子がほとんどまたは全く存在しない。 The diluent is a component in which the active salt is insoluble or has poor solubility, i.e., a solubility that is at least 10 times lower than the solubility of the active salt in solvent A. For example, if the salt has a solubility of 5 M in solvent A, the diluent is selected so that the salt has a solubility of less than 0.5 M in the diluent. In some embodiments, the active salt has a solubility in solvent A that is at least 10 times lower, at least 15 times lower, at least 20 times lower, at least 25 times lower, at least 30 times lower, at least 40 times lower, or at least 50 times lower than the solubility of the active salt in the diluent. The diluent is selected to be stable with respect to the anode, cathode, and current collector at low active salt concentrations (e.g., 3 M or lower) or even without the active salt. In some embodiments, the diluent is selected to have a low dielectric constant (e.g., a relative dielectric constant of 7 or lower) and/or a low donor number (e.g., a donor number of 10 or lower). Advantageously, the diluent does not interact with the active salt, so it does not disrupt the solvation structure of the solvent A-cation-anion aggregate and is considered inert. In other words, there is no significant coordination or association between the diluent molecules and the active salt cations. The active salt cations remain associated with the solvent A molecules. Thus, even though the electrolyte is diluted, there are few or no free solvent A molecules in the electrolyte.
いくつかの実施形態において、希釈剤は非プロトン性有機溶媒を含む。ある特定の実施形態において、希釈剤は、広い電気化学的安定性域(例えば、4.5Vを超える)を有するフッ素化溶媒であり、例えば、ヒドロフルオロエーテル(HFE)(これはまたフルオロアルキルエーテルとして示される)またはフッ素化オルトギ酸エステルなどである。HFEは好都合なことに、低い誘電率、低いドナー数、活性塩の金属(例えば、リチウム、ナトリウムおよび/またはマグネシウム)に関しての還元安定性、および/または電子吸引性フッ素原子に起因する酸化に対する高い安定性を有する。例示的なフッ素化溶媒には、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)、1,1,2,2,-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル(TFTFE)、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、メトキシノナフルオロブタン(MOFB)、エトキシノナフルオロブタン(EOFB)、オルトギ酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)(TFEO)、オルトギ酸トリス(ヘキサフルオロイソプロピル)(THFiPO)、オルトギ酸トリス(2,2-ジフルオロエチル)(TDFEO)、オルトギ酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル(BTFEMO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)(TPFPO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)(TTPO)、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。
希釈剤は可燃性または不燃性であり得る。いくつかの実施形態において、不燃性のフルオロアルキルエーテルまたはフッ素化オルトギ酸エステルを選択することにより、実用的充電式バッテリーの安全性が著しく改善される。例えば、MOFBおよびEOFBは不燃性の直鎖フルオロアルキルエーテルである。フッ素化オルトギ酸エステルのいくつかの実施形態は、他のフルオロアルキルエーテルよりも高い沸点、高い引火点および低い蒸気圧を有する。例えば、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)は62~63℃の沸点および1℃の引火点を有し、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)は92℃の沸点および27.5℃の引火点を有する。これらの特性はそれらの用途を高温において制限することがあり、また、熱的問題に関連づけられるいくつかの安全上の懸念をもたらすことがある。対照的に、フッ素化オルトギ酸エステルのより高い沸点、より高い引火点およびより低い蒸気圧は、希釈剤の蒸発を低減させ、このことは、電解質組成物を管理することをより容易にする。加えて、このようなより高い沸点は、バッテリーが高温で、例えば、55℃までの温度で動作しているときにおいて、増大した安定性を電解質にもたらし得る。例えば、TFEOは144~146℃の沸点および60℃の引火点を有する。開示されたフッ素化オルトギ酸エステルの実施形態はまた、融点が低く、電気化学的安定性域が広い。ある特定の実施形態において、溶媒Aが、電解質を難燃性または不燃性にするために十分な量で難燃剤化合物を含むときには、可燃性の希釈剤が使用され得る。他の実施形態において、システムの予想された動作条件が比較的危険でないとき(例えば、比較的低い動作温度であるとき)には、可燃性の希釈剤が使用され得る。 The diluent may be flammable or non-flammable. In some embodiments, the safety of practical rechargeable batteries is significantly improved by selecting a non-flammable fluoroalkyl ether or fluorinated orthoformate ester. For example, MOFB and EOFB are non-flammable linear fluoroalkyl ethers. Some embodiments of fluorinated orthoformates have higher boiling points, higher flash points and lower vapor pressures than other fluoroalkyl ethers. For example, bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE) has a boiling point of 62-63°C and a flash point of 1°C, and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) has a boiling point of 92°C and a flash point of 27.5°C. These properties may limit their application at high temperatures and may also pose some safety concerns associated with thermal issues. In contrast, the higher boiling point, higher flash point and lower vapor pressure of the fluorinated orthoformates reduces diluent evaporation, making the electrolyte composition easier to manage. In addition, such higher boiling points may provide the electrolyte with increased stability when the battery is operating at high temperatures, for example, up to 55°C. For example, TFEO has a boiling point of 144-146°C and a flash point of 60°C. The disclosed embodiments of the fluorinated orthoformates also have low melting points and a wide electrochemical stability window. In certain embodiments, flammable diluents may be used when solvent A includes a flame retardant compound in an amount sufficient to render the electrolyte flame retardant or non-flammable. In other embodiments, flammable diluents may be used when the expected operating conditions of the system are relatively non-hazardous (e.g., relatively low operating temperatures).
開示されたLSEのいくつかの実施形態において、溶媒Aの分子の少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、または少なくとも99%が、活性塩のカチオンと会合する(例えば、溶媒和する、または配位する)。ある特定の実施形態において、希釈剤分子の10%未満が、例えば、希釈剤分子の5%未満、4%未満、3%未満または2%未満などが、活性塩のカチオンと会合する。会合度は、任意の好適な手段によって、例えば、カチオンと会合する溶媒分子と、遊離溶媒とのピーク強度比をラマンスペクトルにおいて計算することによって、またはNMRスペクトルを使用することによってなどで定量化することができる。 In some embodiments of the disclosed LSE, at least 90%, at least 95%, at least 96%, at least 97%, at least 98%, or at least 99% of the molecules of solvent A are associated (e.g., solvated or coordinated) with the cations of the active salt. In certain embodiments, less than 10% of the diluent molecules are associated with the cations of the active salt, such as less than 5%, less than 4%, less than 3%, or less than 2% of the diluent molecules. The degree of association can be quantified by any suitable means, such as by calculating the peak intensity ratio of the solvent molecules associated with the cations to the free solvent in a Raman spectrum or by using an NMR spectrum.
溶媒Aと希釈剤との相対量が、電解質のための材料コストを低下させるために、電解質の粘度を低下させるために、高電圧のカソードでの酸化に対する電解質の安定性を維持するために、電解質のイオン伝導率を改善するために、電解質のぬれ能を改善するために、安定な固体電解質界面(SEI)層の形成を容易にするために、またはそれらの任意の組み合わせのために選択される。1つの実施形態において、電解質における溶媒A対希釈剤のモル比(溶媒Aモル数/希釈剤モル数)が0.2~5の範囲内であり、例えば、0.2~4、0.2~3、または0.2~2などの範囲内である。独立した実施形態において、電解質における溶媒A対希釈剤の体積比(L溶媒/L希釈剤)が0.2~5の範囲内であり、例えば、0.25~4、または0.33~3などの範囲内である。別の独立した実施形態において、電解質における溶媒A対希釈剤の質量比(g溶媒/g希釈剤)が0.2~5の範囲内であり、例えば、0.25~4、または0.33~3などの範囲内である。 The relative amounts of solvent A and diluent are selected to reduce material costs for the electrolyte, to reduce the viscosity of the electrolyte, to maintain the stability of the electrolyte against oxidation at a high voltage cathode, to improve the ionic conductivity of the electrolyte, to improve the wettability of the electrolyte, to facilitate the formation of a stable solid electrolyte interface (SEI) layer, or any combination thereof. In one embodiment, the molar ratio of solvent A to diluent in the electrolyte (moles solvent A/moles diluent) is in the range of 0.2 to 5, such as in the range of 0.2 to 4, 0.2 to 3, or 0.2 to 2. In an independent embodiment, the volume ratio of solvent A to diluent in the electrolyte (L solvent/L diluent) is in the range of 0.2 to 5, such as in the range of 0.25 to 4, or 0.33 to 3. In another independent embodiment, the mass ratio of solvent A to diluent in the electrolyte (g solvent/g diluent) is in the range of 0.2 to 5, such as in the range of 0.25 to 4, or 0.33 to 3.
好都合なことに、開示されたLSEのある特定の実施形態は、活性塩の著しい希釈を、電解質の性能を犠牲にすることなく可能にする。活性塩のカチオンと溶媒Aの分子との間における相互作用のために、電解質の挙動が溶媒Aにおける活性塩の濃度に対してより密接に対応する。しかしながら、希釈剤が存在するので、活性塩は、溶媒Aにおける活性塩のモル濃度よりも少なくとも20%小さい電解質中のモル濃度を有し得る。ある特定の実施形態において、電解質における活性塩のモル濃度は、溶媒Aにおける活性塩のモル濃度よりも少なくとも25%小さい、少なくとも30%小さい、少なくとも40%小さい、少なくとも50%小さい、少なくとも60%小さい、少なくとも70%小さい、またはさらに少なくとも80%小さい。希釈剤を含むことにより、電解質コストが低減され(より少ない塩が使用され)、電解質の粘度が低下し、その一方で、高濃度電解質の特異な機能性および利点が保たれる。 Advantageously, certain embodiments of the disclosed LSE allow significant dilution of the active salt without sacrificing electrolyte performance. Due to interactions between the cations of the active salt and the molecules of solvent A, the behavior of the electrolyte corresponds more closely to the concentration of the active salt in solvent A. However, because of the presence of the diluent, the active salt may have a molar concentration in the electrolyte that is at least 20% less than the molar concentration of the active salt in solvent A. In certain embodiments, the molar concentration of the active salt in the electrolyte is at least 25% less, at least 30% less, at least 40% less, at least 50% less, at least 60% less, at least 70% less, or even at least 80% less than the molar concentration of the active salt in solvent A. The inclusion of a diluent reduces electrolyte costs (less salt is used) and reduces the viscosity of the electrolyte, while preserving the unique functionality and benefits of high concentration electrolytes.
いくつかの実施形態において、カチオン-アニオン-溶媒凝集体の形成はまた、活性塩のアニオン(例えば、FSI-など)の最低空分子軌道(LUMO)エネルギーを低下させ、その結果、カチオン-アニオン-溶媒凝集体は安定なSEIを形成することができる。例えば、伝導帯のLUMOが溶媒分子(例えば、DMCなど)に位置するときには、溶媒分子が最初にアノードにおいて還元的に分解され、これにより、有機成分またはポリマー成分に富み、機械的にあまり安定でない、したがって、急速な容量劣化を繰り返し使用のときに引き起こすSEI層をもたらす。対照的に、開示されたLSEのある特定の実施形態における活性塩のアニオン(例えば、FSI-など)の伝導帯の最低エネルギーレベルが溶媒(例えば、DMCなど)の伝導帯の最低エネルギーレベルよりも低いときには、溶媒分子の代わりに活性塩のアニオンが分解されることになり、これにより、機械的に堅牢であり、および、アノードをその後のサイクルプロセスの期間中における劣化から保護することができる無機成分(例えば、LiF、Li2CO3、Li2Oなど)に富む安定なSEIが形成されることを示している。 In some embodiments, the formation of cation-anion-solvent aggregates also lowers the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy of the anion of the active salt (e.g., FSI- , etc.), so that the cation-anion-solvent aggregates can form a stable SEI. For example, when the LUMO of the conduction band is located on a solvent molecule (e.g., DMC, etc.), the solvent molecule is first reductively decomposed at the anode, resulting in an SEI layer that is rich in organic or polymeric components and is less mechanically stable, thus causing rapid capacity degradation upon repeated use. In contrast, when the lowest energy level of the conduction band of the anion of the active salt (e.g., FSI- , etc.) in certain embodiments of the disclosed LSE is lower than the lowest energy level of the conduction band of the solvent (e.g., DMC, etc.), the anion of the active salt will be decomposed instead of the solvent molecules, which indicates the formation of a stable SEI rich in inorganic components (e.g., LiF, Li2CO3 , Li2O , etc.) that is mechanically robust and can protect the anode from degradation during subsequent cycling processes.
いくつかの実施形態において、希釈剤は溶媒Aと混和性である。他の実施形態において、例えば、溶媒Aが水を含み、希釈剤が本明細書中に開示されるようなフッ素化有機溶媒であるときには、希釈剤は溶媒Aと非混和性である。溶媒Aと希釈剤とが非混和性であるときには、電解質が希釈剤により効果的に希釈されないことがある。 In some embodiments, the diluent is miscible with solvent A. In other embodiments, the diluent is immiscible with solvent A, for example when solvent A comprises water and the diluent is a fluorinated organic solvent as disclosed herein. When solvent A and the diluent are immiscible, the electrolyte may not be effectively diluted by the diluent.
したがって、いくつかの実施形態において、希釈剤が溶媒Aと非混和性であるときには、電解質はさらに架橋溶媒を含む。架橋溶媒は、溶媒Aまたは希釈剤のどちらとも異なる化学的組成を有する。架橋溶媒は、溶媒Aおよび希釈剤の両方と混和性であるように選択され、それにより、溶媒Aと、希釈剤との実際の混和性を高める。いくつかの実施形態において、架橋溶媒の分子は、極性の末端または部分と、非極性の末端または部分との両方を含んで両親媒性であり、その結果、架橋溶媒の分子は、図3に示されるように溶媒Aの分子および希釈剤の分子の両方と会合することになり、それにより、溶媒Aと、希釈剤との間における混和性を改善する。例示的な架橋溶媒には、アセトニトリル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸プロピレン、ジメチルスルホキシド、1,3-ジオキソラン、1,2-ジメトキシエタン、ジグリム(ビス(2-メトキシエチル)エーテル)、トリグリム(トリエチレングリコールジメチルエーテル)、テトラグリム(テトラエチレングリコールジメチルエーテル)、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。 Thus, in some embodiments, when the diluent is immiscible with solvent A, the electrolyte further comprises a bridging solvent. The bridging solvent has a different chemical composition than either solvent A or the diluent. The bridging solvent is selected to be miscible with both solvent A and the diluent, thereby enhancing the actual miscibility of solvent A with the diluent. In some embodiments, the molecules of the bridging solvent are amphiphilic, containing both polar and non-polar ends or portions, such that the molecules of the bridging solvent will associate with both the molecules of solvent A and the molecules of the diluent, as shown in FIG. 3, thereby improving the miscibility between solvent A and the diluent. Exemplary bridging solvents include, but are not limited to, acetonitrile, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, diglyme (bis(2-methoxyethyl) ether), triglyme (triethylene glycol dimethyl ether), tetraglyme (tetraethylene glycol dimethyl ether), and combinations thereof.
いくつかの実施形態において、電解質は、活性塩と、非水性溶媒と、希釈剤とから本質的になる、またはそれらからなる。ある特定の実施形態において、電解質は、活性塩と、非水性溶媒と、0~30wt%のFECと、希釈剤とから本質的になる、またはそれらからなる。いくつかの実例において、電解質は、活性塩と、非水性溶媒と、2~30wt%のFECと、希釈剤とから本質的になる、またはそれらからなる。「から本質的になる」によって、電解質の特性に単独で、または電解質を含む系において実質的な影響を及ぼす他の成分を電解質が含まないことが意味される。例えば、電解質は、活性塩以外のいかなる電気化学的活性成分(すなわち、異なる酸化状態および還元状態を有するレドックス対を形成することが可能である成分(元素、イオンまたは化合物)、例えば、異なる酸化状態を有するイオン種、または金属カチオンおよびその対応する中性金属原子)を、電解質の性能に影響を及ぼすには十分な量で含まない、あるいは炭酸エステルまたは難燃剤化合物とは異なるさらなる溶媒を含まない、あるいは活性塩が可溶性である希釈剤を含まない、あるいは他の添加剤を有意な量(例えば、1wt%を超える量)で含まない。例示的な電解質には、LiFSI/EC-EMC-BTFE、LiFSI/EC-EMC-FEC-BTFE、LiFSI/TEPa-BTFE、LiFSI/TEPa-FEC-BTFE、LiFSI/EC-EMC-TTE、LiFSI/EC-EMC-FEC-TTE、LiFSI/TEPa-TTE、LiFSI/TEPa-FEC-TTE、LiFSI/EC-EMC-TFEO、LiFSI/EC-EMC-FEC-TFEO、LiFSI/TEPa-TFEO、LiFSI/TEPa-FEC-TFEO、LiFSI/TEPa-EC-BTFE、LiFSI/TEPa-EC-TTE、LiFSI/TEPa-EC-TFEO、LiFSI/TEPa-EC-FEC-BTFE、LiFSI/TEPa-EC-FEC-TTE、LiFSI/TEPa-EC-FEC-TFEO、LiFSI/TEPa-EC-VC-BTFE、LiFSI/TEPa-EC-VC-TTE、LiFSI/TEPa-EC-VC-TFEO、LiFSI/TEPa-EC-LiDFOB-BTFE、LiFSI/TEPa-EC-LiDFOB-TTE、LiFSI/TEPa-EC-LiDFOB-TFEO、LiFSI/TEPa-VC-DMC-BTFE、LiFSI/TEPa-VC-DMC-TTE、LiFSI/DMC-TTE、LiFSI/DMC-FCE-TTE、LiFSI/DMC-VC-FEC-TTE、およびLiFSI/TEPa-VC-DMC-TFEOが含まれるが、これらに限定されない。 In some embodiments, the electrolyte consists essentially of or consists of the active salt, the non-aqueous solvent, and the diluent. In certain embodiments, the electrolyte consists essentially of or consists of the active salt, the non-aqueous solvent, 0-30 wt % FEC, and the diluent. In some instances, the electrolyte consists essentially of or consists of the active salt, the non-aqueous solvent, 2-30 wt % FEC, and the diluent. By "consisting essentially of," it is meant that the electrolyte does not include other components that have a substantial effect on the properties of the electrolyte alone or in a system that includes the electrolyte. For example, the electrolyte does not contain any electrochemically active components other than the active salt (i.e., components (elements, ions or compounds) capable of forming redox pairs having different oxidation and reduction states, e.g., ionic species having different oxidation states, or a metal cation and its corresponding neutral metal atom) in a quantity sufficient to affect the performance of the electrolyte, or does not contain any additional solvents other than the carbonate ester or the flame retardant compound, or does not contain any diluent in which the active salt is soluble, or does not contain any other additives in significant amounts (e.g., greater than 1 wt %). Exemplary electrolytes include LiFSI/EC-EMC-BTFE, LiFSI/EC-EMC-FEC-BTFE, LiFSI/TEPa-BTFE, LiFSI/TEPa-FEC-BTFE, LiFSI/EC-EMC-TTE, LiFSI/EC-EMC-FEC-TTE, LiFSI/TEPa-TTE, LiFSI/TEPa-FEC-TTE, Li FSI/EC-EMC-TFEO, LiFSI/EC-EMC-FEC-TFEO, LiFSI/TEPa-TFEO, LiFSI/TEPa-FEC-TFEO, LiFSI/TEPa-EC-BTFE, LiFSI/TEPa-EC-TTE, LiFSI/TEPa -EC-TFEO, LiFSI/TEPa-EC-FEC-BTFE, LiFSI/TE Pa-EC-FEC-TTE, LiFSI/TEPa-EC-FEC-TFEO, LiFSI/TEPa-EC-VC-BTFE, LiFSI/TEPa-EC-VC-TTE, LiFSI/TEPa-EC-VC-TFEO, LiFSI/TEPa-EC-LiDFO B-BTFE, LiFSI/TEPa-EC-LiDFOB-TTE, LiFSI/T These include, but are not limited to, EPa-EC-LiDFOB-TFEO, LiFSI/TEPa-VC-DMC-BTFE, LiFSI/TEPa-VC-DMC-TTE, LiFSI/DMC-TTE, LiFSI/DMC-FCE-TTE, LiFSI/DMC-VC-FEC-TTE, and LiFSI/TEPa-VC-DMC-TFEO.
ある特定の実施形態において、電解質は、LiFSIと、EC-EMCまたはTEPaと、0~30wt%のFECと、希釈剤とを含み、あるいはそれらから本質的になり、あるいはそれらからなり、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、OTE、TFEOまたはそれらの組み合わせである。活性塩は、電解質において0.5M~3Mの範囲内のモル濃度を有し得る。1つの実施形態において、電解質は、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCと、0~30wt%のFEC(例えば、0wt%のFEC、0.5~30wt%のFEC、2~30wt%のFEC、2~10wt%のFEC、または5~10wt%のFECなど)と、希釈剤とを含み、あるいはそれらから本質的になり、あるいはそれからなり、ここで、EC-EMC(ECモル数+EMCモル数)の希釈剤に対するモル比が1~4の範囲内であり、例えば、1~3などの範囲内である。別の実施形態において、電解質は、1~3MのLiFSIと、TEPaと、0~30wt%のFEC(例えば、0wt%のFEC、0.5~30wt%のFEC、または5~10wt%のFECなど)と、希釈剤とを含み、あるいはこれらから本質的になり、またはこれらからなり、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対希釈剤のモル比が1~4の範囲内であり、例えば、2~4などの範囲内である。いくつかの実例において、希釈剤はBTFEである。 In certain embodiments, the electrolyte comprises, consists essentially of, or consists of LiFSI, EC-EMC or TEPa, 0-30 wt % FEC, and a diluent, where the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or a combination thereof. The active salt may have a molar concentration in the electrolyte in the range of 0.5M to 3M. In one embodiment, the electrolyte comprises, consists essentially of, or consists of 1-3 M LiFSI, EC-EMC in a ratio of 4:6 to 2:8 by weight, 0-30 wt % FEC (e.g., 0 wt % FEC, 0.5-30 wt % FEC, 2-30 wt % FEC, 2-10 wt % FEC, or 5-10 wt % FEC, etc.), and a diluent, where the molar ratio of EC-EMC (moles EC+moles EMC) to diluent is in the range of 1-4, such as in the range of 1-3. In another embodiment, the electrolyte comprises, consists essentially of, or consists of 1-3M LiFSI, TEPa, 0-30 wt% FEC (e.g., 0 wt% FEC, 0.5-30 wt% FEC, or 5-10 wt% FEC, etc.), and a diluent, where the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to diluent is in the range of 1-4, such as in the range of 2-4. In some instances, the diluent is BTFE.
III.システム
開示されたLSEの様々な実施形態が様々なシステムにおいて、例えば、バッテリー(例えば、充電式バッテリー)などにおいて有用である。いくつかの実施形態において、開示されたLSEはリチウムイオンバッテリーにおいて有用である。いくつかの実施形態において、システムは、本明細書中に開示されるようなLSEと、アノードとを含む。システムはさらに、カソード、セパレーター、アノード集電体、カソード集電体、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。ある特定の実施形態において、アノードはケイ素を含む。
III. Systems Various embodiments of the disclosed LSEs are useful in various systems, such as batteries (e.g., rechargeable batteries). In some embodiments, the disclosed LSEs are useful in lithium ion batteries. In some embodiments, a system includes an LSE as disclosed herein and an anode. The system may further include a cathode, a separator, an anode current collector, a cathode current collector, or any combination thereof. In certain embodiments, the anode includes silicon.
いくつかの実施形態において、充電式バッテリーは、本明細書中に開示されるようなLSEと、カソードと、アノードと、必要に応じてセパレーターとを含む。図4は、カソード120と、電解質(すなわち、LSE)が注入されるセパレーター130と、アノード140とを含む充電式バッテリー100の1つの例示的実施形態の概略図である。いくつかの実施形態において、バッテリー100はまた、カソード集電体110および/またはアノード集電体150を含む。 In some embodiments, a rechargeable battery includes an LSE as disclosed herein, a cathode, an anode, and optionally a separator. FIG. 4 is a schematic diagram of one exemplary embodiment of a rechargeable battery 100 including a cathode 120, a separator 130 infused with an electrolyte (i.e., the LSE), and an anode 140. In some embodiments, the battery 100 also includes a cathode current collector 110 and/or an anode current collector 150.
集電体は、金属または別の導電性材料、例えば、限定されないが、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、ステンレス鋼、または導電性炭素材料などであることが可能である。集電体は、導電性材料により被覆される箔、発泡体またはポリマー基材であり得る。好都合なことに、集電体は、バッテリーの動作電圧域においてアノードまたはカソードおよび電解質と接触しているときにおいて安定である(すなわち、腐食も反応もしない)。アノードまたはカソードがそれぞれ自立型であるならば、例えば、アノードが金属であるとき、または層間侵入物もしくは転換化合物を含む自立型フィルムであるとき、ならびに/あるいはカソードが自立型フィルムであるときには、アノード集電体およびカソード集電体は省かれ得る。「自立型」によって、フィルムそのものが、フィルムが支持材料を伴うことなくバッテリーに配置されることが可能である十分な構造的一体性を有することが意味される。 The current collector can be a metal or another conductive material, such as, but not limited to, nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al), iron (Fe), stainless steel, or a conductive carbon material. The current collector can be a foil, foam, or polymer substrate coated with a conductive material. Advantageously, the current collector is stable (i.e., does not corrode or react) when in contact with the anode or cathode and electrolyte at the operating voltage range of the battery. If the anode or cathode, respectively, is freestanding, e.g., when the anode is a metal or a freestanding film containing an intercalation or conversion compound, and/or when the cathode is a freestanding film, the anode and cathode current collectors can be omitted. By "freestanding," it is meant that the film itself has sufficient structural integrity that the film can be placed in the battery without a supporting material.
充電式リチウムイオンバッテリーのいくつかの実施形態を含めていくつかの実施形態において、アノードは、ケイ素系、炭素系(例えば、黒鉛系および/または硬質炭素系)、炭素・ケイ素系(例えば、炭素/ケイ素複合体)、スズ系またはアンチモン系のアノードである。「炭素系アノード」によって、総アノード質量の大部分が、活性化された炭素材であること、例えば、少なくとも70wt%、少なくとも80wt%、または少なくとも90wt%などが、活性化された炭素材、例えば、黒鉛、硬質炭素またはそれらの混合物であることが意味される。「ケイ素系アノード」によって、アノードが、ある特定の最小量のケイ素を含有すること、例えば、少なくとも30%、少なくとも50wt%、少なくとも60wt%、または少なくとも70wt%などのケイ素を含有することが意味される。「炭素/ケイ素系アノード」によって、総アノード質量の大部分が、活性化された炭素およびケイ素であること、例えば、少なくとも70wt%、少なくとも80wt%、または少なくとも90wt%などが、活性化された炭素およびケイ素の組み合わせであることが意味される。「スズ系アノード」または「アンチモン系アノード」によって、総アノード質量の大部分がそれぞれスズまたはアンチモンであること、例えば、少なくとも70wt%、少なくとも80wt%、または少なくとも90wt%などがそれぞれスズまたはアンチモンであることが意味される。いくつかの実施形態において、アノードは、黒鉛系および/またはケイ素系のアノード、あるいはスズ系アノードである。ある特定の実施形態において、アノードはケイ素を含む:例えば、ケイ素系アノードまたは炭素/ケイ素系(例えば、ケイ素-黒鉛複合体)アノードなど。いくつかの実例において、ケイ素はナノケイ素であり、および/または炭素被覆される。例えば、ケイ素は、ケイ素が化学気相成長(CVD)または他の手法によって炭素被覆される炭素被覆のナノケイ素であり得る。1つの実施形態において、ケイ素は、10wt%のCVD炭素を含むC/Si複合体である。 In some embodiments, including some embodiments of rechargeable lithium ion batteries, the anode is a silicon-based, carbon-based (e.g., graphite-based and/or hard carbon-based), carbon-silicon-based (e.g., carbon/silicon composite), tin-based, or antimony-based anode. By "carbon-based anode" is meant that a majority of the total anode mass is activated carbon material, such as at least 70 wt%, at least 80 wt%, or at least 90 wt%, of the activated carbon material, such as graphite, hard carbon, or mixtures thereof. By "silicon-based anode" is meant that the anode contains a certain minimum amount of silicon, such as at least 30 wt%, at least 50 wt%, at least 60 wt%, or at least 70 wt%, of silicon. By "carbon/silicon-based anode" it is meant that the majority of the total anode mass is activated carbon and silicon, e.g., at least 70 wt%, at least 80 wt%, or at least 90 wt%, etc., a combination of activated carbon and silicon. By "tin-based anode" or "antimony-based anode" it is meant that the majority of the total anode mass is tin or antimony, e.g., at least 70 wt%, at least 80 wt%, or at least 90 wt%, etc., tin or antimony, respectively. In some embodiments, the anode is a graphite-based and/or silicon-based anode, or a tin-based anode. In certain embodiments, the anode comprises silicon, e.g., a silicon-based anode or a carbon/silicon-based (e.g., silicon-graphite composite) anode, etc. In some instances, the silicon is nanosilicon and/or carbon-coated. For example, the silicon can be carbon-coated nanosilicon, where the silicon is carbon-coated by chemical vapor deposition (CVD) or other techniques. In one embodiment, the silicon is a C/Si composite containing 10 wt% CVD carbon.
アノードはさらに、1またはそれを超えるバインダーおよび/または導電性添加剤を含み得る。好適なバインダーには、ポリアクリレート(例えば、ポリアクリル酸リチウム、LiPAA)、ポリイミド(PI)、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、エチレンオキシドポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン-ブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロン、およびカルボキシメチルセルロースなどが含まれるが、これらに限定されない。好適な導電性添加剤には、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維(例えば、気相成長炭素繊維)、金属粉末または金属繊維(例えば、Cu、Ni、Al)、および導電性ポリマー(例えば、ポリフェニレン誘導体)が含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、アノードは、容量の少なくとも5%にまで、容量の少なくとも10%にまで、容量の少なくとも20%にまで、容量の少なくとも50%にまで、または最大で100%の容量にまでプレリチウム化される。プレリチウム化は、リチウム源を全く有しないカソードが使用されるときには特に有用である。 The anode may further include one or more binders and/or conductive additives. Suitable binders include, but are not limited to, polyacrylates (e.g., lithium polyacrylate, LiPAA), polyimides (PI), polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide polymers, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, epoxy resins, nylon, and carboxymethyl cellulose. Suitable conductive additives include, but are not limited to, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fibers (e.g., vapor-grown carbon fibers), metal powders or fibers (e.g., Cu, Ni, Al), and conductive polymers (e.g., polyphenylene derivatives). In some embodiments, the anode is prelithiated to at least 5% of capacity, at least 10% of capacity, at least 20% of capacity, at least 50% of capacity, or up to 100% capacity. Prelithiation is particularly useful when a cathode is used that does not have any lithium source.
いくつかの実施形態において、アノードは、70~75wt%の黒鉛と、10~20wt%のケイ素と、0~5wt%の導電性カーボンブラックと、8~12wt%のバインダーとを含むケイ素/黒鉛複合アノードである。ケイ素は炭素被覆のナノケイ素であり得、例えば、5~15wt%のCVD炭素を含むC/Si複合体などであり得る。ある特定の実施形態において、バインダーはLiPAAまたはPIを含む。一例において、アノードは、70~75wt%の黒鉛と、12~18wt%のケイ素と、0超~5wt%の導電性カーボンブラックと、8~12wt%のLiPAAとを含む。別の一例において、アノードは、70~75wt%の黒鉛と、12~18wt%の炭素被覆ナノケイ素(20wt%の炭素)と、0超~5wt%の導電性カーボンブラックと、5~15wt%のPIとを含む。 In some embodiments, the anode is a silicon/graphite composite anode comprising 70-75 wt% graphite, 10-20 wt% silicon, 0-5 wt% conductive carbon black, and 8-12 wt% binder. The silicon can be carbon-coated nanosilicon, such as a C/Si composite with 5-15 wt% CVD carbon. In certain embodiments, the binder comprises LiPAA or PI. In one example, the anode comprises 70-75 wt% graphite, 12-18 wt% silicon, 0-5 wt% conductive carbon black, and 8-12 wt% LiPAA. In another example, the anode contains 70-75 wt% graphite, 12-18 wt% carbon-coated nanosilicon (20 wt% carbon), >0-5 wt% conductive carbon black, and 5-15 wt% PI.
リチウムイオンバッテリーのための例示的なカソードには、Liに富むLi1+wNixMnyCozO2(x+y+z+w=1、0≦w≦0.25)、LiNixMnyCozO2(NMC、x+y+z=1)、LiCoO2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)、LiNi0.5Mn1.5O4スピネル、LiMn2O4(LMO)、LiFePO4(LFP)、Li4-xMxTi5O12(M=Mg、Al、Ba、SrまたはTa;0≦x≦1)、MnO2、V2O5、V6O13、LiV3O8、LiMC1 xMC2 1-xPO4(MC1またはMC2=Fe、Mn、Ni、Co、CrまたはTi;0≦x≦1)、Li3V2-xM1 x(PO4)3(M1=Cr、Co、Fe、Mg、Y、Ti、NbまたはCe;0≦x≦1)、LiVPO4F、LiMC1 xMC2 1-xO2((MC1およびMC2は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1)、LiMC1 xMC2 yMC3 1-x-yO2((MC1、MC2およびMC3は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1;0≦y≦1、0≦x+y≦1)、LiMn2-yXyO4(X=Cr、AlまたはFe、0≦y≦1)、LiNi0.5-yXyMn1.5O4(X=Fe、Cr、Zn、Al、Mg、Ga、VまたはCu;0≦y<0.5)、xLi2MnO3・(1-x)LiMC1 yMC2 zMC3 1-y-zO2(MC1、MC2およびMC3は独立して、Mn、Ni、Co、Cr、Fe、またはそれらの混合である;x=0.3~0.5;y≦0.5;z≦0.5)、Li2M2SiO4(M2=Mn、FeまたはCo)、Li2M2SO4(M2=Mn、FeまたはCo)、LiM2SO4F(M2=Fe、MnまたはCo)、Li2-x(Fe1-yMny)P2O7(0≦x≦1;0≦y≦1)、Cr3O8、Cr2O5、炭素/イオウ複合体、または空気電極(例えば、黒鉛状炭素および必要に応じて金属触媒(例えば、Ir、Ru、Pt、AgまたはAg/Pdなど)を含む炭素系電極)が含まれるが、これらに限定されない。独立した実施形態において、カソードはリチウム転換化合物であり得、例えば、Li2O2、Li2SまたはLiFなどであり得る。いくつかの実例において、カソードはNMCカソードである。 Exemplary cathodes for lithium ion batteries include Li-rich Li1 + wNixMnyCozO2 ( x+y + z + w =1, 0≦w≦0.25), LiNixMnyCozO2 ( NMC , x+y+ z = 1), LiCoO2, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 ( NCA ) , LiNi0.5Mn1.5O4 spinel, LiMn2O4 ( LMO ), LiFePO4 (LFP ) , Li4- xMxTi5O12 ( M = Mg , Al , Ba , Sr, or Ta; 0≦x≦1), MnO2 , V2O4 , and the like. 5 , V 6 O 13 , LiV 3 O 8 , LiM C1 x M C2 1-x PO 4 (M C1 or M C2 = Fe, Mn, Ni, Co, Cr or Ti; 0≦x≦1), Li 3 V 2-x M 1 x (PO 4 ) 3 (M 1 = Cr, Co, Fe, Mg, Y, Ti, Nb or Ce; 0≦x≦1), LiVPO 4 F, LiM C1 x M C2 1-x O 2 ((M C1 and M C2 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1), LiM C1 x M C2 y M C3 1-x-y O 2 ((M C1 , M C2 and M C3 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1; 0≦y≦1, 0≦x+y≦1), LiMn 2-y X y O 4 (X=Cr, Al or Fe, 0≦y≦1), LiNi 0.5-y X y Mn 1.5 O 4 (X=Fe, Cr, Zn, Al, Mg, Ga, V or Cu; 0≦y<0.5), xLi 2 MnO 3. (1-x)LiM C1 y M C2 z M C3 1-y-z O 2 (M C1 , M C2 and M C3 is independently Mn, Ni, Co, Cr, Fe, or mixtures thereof; x=0.3-0.5; y≦0.5; z≦0.5), Li 2 M 2 SiO 4 (M 2 =Mn, Fe or Co), Li 2 M 2 SO 4 (M 2 =Mn, Fe or Co), LiM 2 SO 4 F (M 2 =Fe, Mn or Co), Li 2-x (Fe 1-y Mn y )P 2 O 7 (0≦x≦1; 0≦y≦1), Cr 3 O 8 , Cr 2 O 5 , a carbon/sulfur composite, or an air electrode (e.g., a carbon-based electrode containing graphitic carbon and optionally a metal catalyst, such as Ir, Ru, Pt, Ag, or Ag/Pd). In separate embodiments, the cathode can be a lithium conversion compound, such as Li2O2 , Li2S , or LiF. In some instances , the cathode is an NMC cathode.
セパレーターは、ガラス繊維、セラミック被覆を有するまたは有しない多孔質ポリマーフィルム(例えば、ポリエチレン系材料またはポリプロピレン系材料)、あるいは複合体(例えば、無機粒子とバインダーとの多孔質フィルム)であり得る。1つの例示的なポリマーセパレーターが、Celgard(登録商標)K1640ポリエチレン(PE)膜である。別の例示的なポリマーセパレーターが、Celgard(登録商標)2500ポリプロピレン膜である。別の例示的なポリマーセパレーターが、Celgard(登録商標)3501界面活性剤被覆ポリプロピレン膜である。セパレーターには、本明細書中に開示されるように、電解質が注入され得る。 The separator can be fiberglass, a porous polymeric film with or without a ceramic coating (e.g., a polyethylene- or polypropylene-based material), or a composite (e.g., a porous film of inorganic particles and a binder). One exemplary polymeric separator is Celgard® K1640 polyethylene (PE) membrane. Another exemplary polymeric separator is Celgard® 2500 polypropylene membrane. Another exemplary polymeric separator is Celgard® 3501 surfactant-coated polypropylene membrane. The separator can be infused with an electrolyte as disclosed herein.
いくつかの実施形態において、バッテリーは、炭素系、ケイ素系、炭素・ケイ素系、スズ系またはアンチモン系のアノード、リチウムイオンバッテリーのために好適であるカソード、セパレーター、および(a)リチウムカチオンを含む活性塩と、(b)(i)炭酸フルオロエチレン(FEC)以外の炭酸エステル、(ii)難燃剤化合物、または(iii)(i)および(ii)の両方を含む非水性溶媒(ここで、活性塩は非水性溶媒に可溶性である)と、(c)フルオロアルキルエーテル、フッ素化オルトギ酸エステルまたはそれらの組み合わせを含む希釈剤(ここで、活性塩は、非水性溶媒における活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である希釈剤における溶解度を有する)とを含むLSEを含む。電解質はさらに、最大で30wt%のFECを含み得、例えば、5~30wt%のFECまたは5~10wt%のFECを含み得る。ある特定の実施形態において、アノードはケイ素を含んでおり、すなわち、アノードはケイ素系または炭素/ケイ素複合体系のアノードである。いくつかの実施形態において、カソードは、LiNixMnyCozO2(NMC)、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2(NCA)、またはLiCoO2(LCO)を含む。ある特定の実施形態において、カソードはLiNixMnyCozO2(NMC)を含む。いくつかの実例において、電解質は、LiFSIと、EC-EMCまたはTEPaと、0~30wt%のFEC(例えば、0wt%のFEC、5~30wt%のFEC、5~10wt%のFEC)と、希釈剤とを含み、あるいはそれらから本質的になり、あるいはそれらからなり、ここで、希釈剤は、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの組み合わせからなる。いくつかの実例において、希釈剤は、BFTE、TTE、TFEO、またはそれらの組み合わせからなる。1つの実施形態において、アノードが、LiPAAをバインダーとして含む炭素-ケイ素複合体であるとき、電解質はEC-EMCを含む。別の実施形態において、アノードが、PIをバインダーとして含む炭素-ケイ素複合体であるとき、電解質はTEPaを含む。 In some embodiments, the battery includes a carbon-based, silicon-based, carbon-silicon-based, tin-based, or antimony-based anode, a cathode suitable for a lithium-ion battery, a separator, and an LSE including (a) an active salt including lithium cations, (b) a non-aqueous solvent including (i) a carbonate other than fluoroethylene carbonate (FEC), (ii) a flame retardant compound, or (iii) both (i) and (ii), where the active salt is soluble in the non-aqueous solvent, and (c) a diluent including a fluoroalkyl ether, a fluorinated orthoformate ester, or a combination thereof, where the active salt has a solubility in the diluent that is at least 10 times lower than the solubility of the active salt in the non-aqueous solvent. The electrolyte may further include up to 30 wt % FEC, for example, 5-30 wt % FEC or 5-10 wt % FEC. In certain embodiments, the anode includes silicon, i.e., the anode is a silicon-based or carbon/silicon composite-based anode. In some embodiments, the cathode comprises LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC), LiNi 0.85 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA), or LiCoO 2 (LCO). In certain embodiments, the cathode comprises LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC). In some instances, the electrolyte comprises, consists essentially of, or consists of LiFSI, EC-EMC or TEPa, 0-30 wt % FEC (e.g., 0 wt % FEC, 5-30 wt % FEC, 5-10 wt % FEC), and a diluent, where the diluent consists of BTFE, TTE, OTE, TFEO, or a combination thereof. In some instances, the diluent comprises BFTE, TTE, TFEO, or a combination thereof. In one embodiment, when the anode is a carbon-silicon composite with LiPAA as a binder, the electrolyte comprises EC-EMC. In another embodiment, when the anode is a carbon-silicon composite with PI as a binder, the electrolyte comprises TEPa.
好都合なことに、LSEを含む開示されたリチウムイオンバッテリーのいくつかの実施形態は、高電圧において、例えば、4.2Vまたはそれを超える電圧において、例えば、4.3V以上の電圧などにおいて動作可能である。ある特定の実施形態において、バッテリーは、最大で4.5Vの電圧で動作可能である。 Advantageously, some embodiments of the disclosed lithium ion batteries including the LSE are capable of operating at high voltages, e.g., at or above 4.2 V, e.g., at voltages of 4.3 V or greater. In certain embodiments, the battery is capable of operating at voltages up to 4.5 V.
いくつかの実施形態において、本明細書中に開示されるようなLSEを含むリチウムイオンバッテリーは、同じアノードおよびカソードを従来型電解質または超高濃度電解質とともに含む比較可能なリチウムバッテリーと同等であるまたはそれよりも良好である性能を有する。例えば、開示されたLSEを有するリチウムイオンバッテリーは、従来型電解質または超高濃度電解質を有する比較可能なバッテリーと同等であるまたはそれを超える比容量、クーロン効率および/または容量保持率を有し得る。開示されたLSEを有するリチウムイオンバッテリーはまた、同じアノードおよびカソードを従来型電解質または超高濃度電解質とともに含む比較可能なリチウムイオンバッテリーと同等であるパーセント容量保持率によって示されるようなサイクル安定性、またはそのような比較可能なリチウムイオンバッテリーのサイクル安定性よりも良好であるサイクル安定性を示し得る。例えば、ケイ素/黒鉛複合体アノードと、開示されたLSEとを有するリチウムイオンバッテリーは、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、またはさらに少なくとも90%の容量保持率を100サイクルで有し得る。このリチウムイオンバッテリーは、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、または少なくとも75%の初回クーロン効率を有し得る。いくつかの実例において、初回クーロン効率が、本明細書中に開示されるようなプレリチウム化アノードを使用することによって改善される。 In some embodiments, a lithium ion battery including a LSE as disclosed herein has performance that is equivalent to or better than a comparable lithium battery including the same anode and cathode with a conventional or ultra-high concentration electrolyte. For example, a lithium ion battery with a disclosed LSE may have a specific capacity, coulombic efficiency, and/or capacity retention that is equivalent to or greater than a comparable battery with a conventional or ultra-high concentration electrolyte. A lithium ion battery with a disclosed LSE may also exhibit cycling stability, as indicated by a percent capacity retention that is equivalent to a comparable lithium ion battery including the same anode and cathode with a conventional or ultra-high concentration electrolyte, or cycling stability that is better than the cycling stability of such a comparable lithium ion battery. For example, a lithium ion battery including a silicon/graphite composite anode and a disclosed LSE may have a capacity retention of at least 70%, at least 75%, at least 80%, at least 85%, or even at least 90% at 100 cycles. The lithium ion battery may have a first coulombic efficiency of at least 50%, at least 60%, at least 70%, or at least 75%. In some instances, the first coulombic efficiency is improved by using a prelithiated anode as disclosed herein.
IV.代表的実施形態
ある特定の代表的な実施形態が以下の番号付き項において例示される。
IV. Representative Embodiments Certain representative embodiments are illustrated in the following numbered paragraphs.
1.電解質と、アノードとを含むシステムであって、前記電解質が、(a)リチウムカチオンを含む活性塩と、(b)(i)炭酸フルオロエチレン(FEC)以外の炭酸エステル、(ii)難燃剤化合物、または(iii)(i)および(ii)の両方を含む非水性溶媒(ここで、前記活性塩は前記非水性溶媒に可溶性である)と、(c)フルオロアルキルエーテル、フッ素化オルトギ酸エステル、またはそれらの組み合わせを含む希釈剤(ここで、前記活性塩は、前記非水性溶媒における前記活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である前記希釈剤における溶解度を有する)とを含み、前記アノードがケイ素を含む、システム。 1. A system comprising an electrolyte and an anode, the electrolyte comprising (a) an active salt comprising lithium cations, (b) a non-aqueous solvent comprising (i) a carbonate other than fluoroethylene carbonate (FEC), (ii) a flame retardant compound, or (iii) both (i) and (ii), where the active salt is soluble in the non-aqueous solvent, and (c) a diluent comprising a fluoroalkyl ether, a fluorinated orthoformate ester, or a combination thereof, where the active salt has a solubility in the diluent that is at least 1/10 of the solubility of the active salt in the non-aqueous solvent, and the anode comprises silicon.
2.前記電解質がさらに0.1~30wt%のFECを含む、項1に記載のシステム。 2. The system described in paragraph 1, wherein the electrolyte further contains 0.1 to 30 wt % FEC.
3.前記電解質がさらに2~30wt%のFECを含む、項1に記載のシステム。 3. The system described in item 1, wherein the electrolyte further contains 2 to 30 wt % FEC.
4.前記活性塩は前記電解質において0.5M~6Mの範囲内のモル濃度を有する、項1~3のいずれか一項に記載のシステム。 4. The system described in any one of items 1 to 3, wherein the active salt has a molar concentration in the electrolyte within a range of 0.5 M to 6 M.
5.前記活性塩が、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiBETI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiClO4、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiSCN、LiNO3、LiNO2、Li2SO4、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項1~4のいずれか一項に記載のシステム。 5. The system of any one of clauses 1 to 4, wherein the active salt comprises lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiClO 4 , lithium difluorooxalatoborate (LiDFOB), LiI, LiBr, LiCl, LiSCN, LiNO 3 , LiNO 2 , Li 2 SO 4 , or any combination thereof.
6.前記非水性溶媒が、有機リン酸エステル、有機亜リン酸エステル、有機ホスホン酸エステル、有機ホスホルアミド、ホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む難燃剤化合物を含む、項1~5のいずれか一項に記載のシステム。 6. The system according to any one of claims 1 to 5, wherein the non-aqueous solvent comprises a flame retardant compound comprising an organic phosphate ester, an organic phosphite ester, an organic phosphonate ester, an organic phosphoramide, a phosphazene, or any combination thereof.
7.前記難燃剤化合物が、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル;亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル);メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、フェニルホスホン酸ジエチル、メチルホスホン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル);ヘキサメチルホスホルアミド;ヘキサメトキシホスファゼン、ヘキサフルオロホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項6に記載のシステム。 7. The system of claim 6, wherein the flame retardant compound comprises triethyl phosphate, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl phosphate; trimethyl phosphite, triphenyl phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphite; dimethyl methylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, diethyl phenylphosphonate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methylphosphonate; hexamethylphosphoramide; hexamethoxyphosphazene, hexafluorophosphazene, or any combination thereof.
8.前記非水性溶媒が炭酸エチレン(EC)および炭酸エチル(EMC)、またはECおよび炭酸ジエチル(DEC)、またはECおよび炭酸ジメチル(DMC)、またはECと、EMC、DEC、DMC、炭酸プロピレン(PC)の組み合わせとを含む、項1~7のいずれか一項に記載のシステム。 8. The system according to any one of claims 1 to 7, wherein the non-aqueous solvent comprises ethylene carbonate (EC) and ethyl carbonate (EMC), or EC and diethyl carbonate (DEC), or EC and dimethyl carbonate (DMC), or a combination of EC with EMC, DEC, DMC, and propylene carbonate (PC).
9.前記希釈剤が、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)、1,1,2,2,-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル(TFTFE)、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル(OTE)、メトキシノナフルオロブタン(MOFB)、エトキシノナフルオロブタン(EOFB)、オルトギ酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)(TFEO)、オルトギ酸トリス(ヘキサフルオロイソプロピル)(THFiPO)、オルトギ酸トリス(2,2-ジフルオロエチル)(TDFEO)、オルトギ酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル(BTFEMO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)(TPFPO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)(TTPO)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項1~8のいずれか一項に記載のシステム。 9. The diluent is bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE), 1,1,2,2,-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether (TFTFE), 1H,1H,5H-octafluoropentyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether (OTE), methoxynonafluorobutane (MOFB), ethoxynonafluorobutane (EOFB), tris(2,2 ,2-trifluoroethyl) (TFEO), tris(hexafluoroisopropyl) orthoformate (THFiPO), tris(2,2-difluoroethyl) orthoformate (TDFEO), bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl orthoformate (BTFEMO), tris(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) orthoformate (TPFPO), tris(2,2,3,3-tetrafluoropropyl) orthoformate (TTPO), or any combination thereof. The system according to any one of claims 1 to 8.
10.前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項1~9のいずれか一項に記載のシステム。 10. The system according to any one of claims 1 to 9, wherein the diluent comprises BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof.
11.前記希釈剤が、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項1~9のいずれか一項に記載のシステム。 11. The system according to any one of claims 1 to 9, wherein the diluent comprises BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof.
12.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、項10または項11に記載のシステム。 12. The system of claim 10 or 11, wherein the electrolyte comprises 1-3M LiFSI, EC-EMC in a ratio of 4:6-2:8 by weight, 0-30 wt% FEC, and the diluent, wherein the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1-4.
13.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~3の範囲内である、項10または項11に記載のシステム。 13. The system of claim 10 or 11, wherein the electrolyte comprises 1-3M LiFSI, EC-EMC in a ratio of 4:6-2:8 by weight, 0-30 wt% FEC, and the diluent, wherein the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1-3.
14.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、TEPa対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、項10または項11に記載のシステム。 14. The system of claim 10 or 11, wherein the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC, and the diluent, wherein the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 1-4.
15.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、TEPa対前記希釈剤のモル比が2~4の範囲内である、項10または項11に記載のシステム。 15. The system of claim 10 or 11, wherein the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC, and the diluent, wherein the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 2-4.
16.前記アノードが黒鉛/ケイ素複合体を含む、項1~15のいずれか一項に記載のシステム。 16. The system described in any one of claims 1 to 15, wherein the anode comprises a graphite/silicon composite.
17.前記アノードがさらにポリアクリル酸リチウムバインダーまたはポリイミドバインダーを含む、項16に記載のシステム。 17. The system described in paragraph 16, wherein the anode further comprises a lithium polyacrylate binder or a polyimide binder.
18.前記ケイ素が炭素被覆のナノケイ素である、項16に記載のシステム。 18. The system described in paragraph 16, wherein the silicon is carbon-coated nanosilicon.
19.前記バインダーがポリイミドを含む、項18に記載のシステム。 19. The system described in claim 18, wherein the binder comprises a polyimide.
20.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対前記希釈剤のモル比が2~4の範囲内である、項19に記載のシステム。 20. The system of claim 19, wherein the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC, and the diluent, where the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 2-4.
21.前記電解質が、1~3MのLiFSIと、リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対前記希釈剤のモル比が2~4の範囲内である、項19に記載のシステム。 21. The system of claim 19, wherein the electrolyte comprises 1-3 M LiFSI, triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC, and the diluent, where the diluent is BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 2-4.
22.カソードをさらに含み、前記アノードがプレリチウム化され、そして前記システムが、100サイクル後において80%以上の容量保持率を有する、項19に記載のシステム。 22. The system of claim 19, further comprising a cathode, the anode being prelithiated, and the system having a capacity retention of 80% or more after 100 cycles.
23.前記バインダーがポリアクリル酸リチウムを含み、前記電解質が、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で3:7であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~3の範囲内である、項17に記載のシステム。 23. The system of claim 17, wherein the binder comprises lithium polyacrylate, the electrolyte comprises 1-3M LiFSI, EC-EMC in a ratio of 3:7 by weight and 0-30 wt % FEC, and the diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1-3.
24.前記バインダーがポリアクリル酸リチウムを含み、前記電解質が、1~3MのLiFSIと、比率が重量比で3:7であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~3の範囲内である、項17に記載のシステム。 24. The system of claim 17, wherein the binder comprises lithium polyacrylate, the electrolyte comprises 1-3M LiFSI, EC-EMC in a ratio of 3:7 by weight, and 0-30 wt % FEC, and the diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1-3.
25.カソードをさらに含み、100サイクル後において70%以上の容量保持率を有する、項23または項24に記載のシステム。 25. The system according to claim 23 or 24, further comprising a cathode and having a capacity retention rate of 70% or more after 100 cycles.
26.カソードをさらに含み、前記カソードが、Li1+wNixMnyCozO2(x+y+z+w=1、0≦w≦0.25)、LiNixMnyCozO2(x+y+z=1)、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiCoO2、LiNi0.5Mn1.5O4スピネル、LiMn2O4、LiFePO4、Li4-xMxTi5O12(M=Mg、Al、Ba、SrまたはTa;0≦x≦1)、MnO2、V2O5、V6O13、LiV3O8、LiMC1 xMC2 1-xPO4(MC1またはMC2=Fe、Mn、Ni、Co、CrまたはTi;0≦x≦1)、Li3V2-xM1 x(PO4)3(M1=Cr、Co、Fe、Mg、Y、Ti、NbまたはCe;0≦x≦1)、LiVPO4F、LiMC1 xMC2 1-xO2((MC1およびMC2は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1)、LiMC1 xMC2 yMC3 1-x-yO2((MC1、MC2およびMC3は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1;0≦y≦1、0≦x+y≦1)、LiMn2-yXyO4(X=Cr、AlまたはFe、0≦y≦1)、LiNi0.5-yXyMn1.5O4(X=Fe、Cr、Zn、Al、Mg、Ga、VまたはCu;0≦y<0.5)、xLi2MnO3・(1-x)LiMC1 yMC2 zMC3 1-y-zO2(MC1、MC2およびMC3は独立して、Mn、Ni、Co、Cr、Fe、またはそれらの混合である;x=0.3~0.5;y≦0.5;z≦0.5)、Li2M2SiO4(M2=Mn、FeまたはCo)、Li2M2SO4(M2=Mn、FeまたはCo)、LiM2SO4F(M2=Fe、MnまたはCo)、Li2-x(Fe1-yMny)P2O7(0≦x≦1;0≦y≦1)、Cr3O8、Cr2O5、炭素/イオウ複合体、または空気電極を含む、項1~25のいずれか一項に記載のシステム。 26. The cathode may further comprise a cathode selected from the group consisting of Li1 + wNixMnyCozO2 (x+ y +z+ w =1, 0≦w≦0.25), LiNixMnyCozO2 ( x+y+z = 1 ), LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, LiCoO2 , LiNi0.5Mn1.5O4 spinel , LiMn2O4 , LiFePO4 , Li4 - xMxTi5O12 ( M=Mg, Al , Ba , Sr or Ta ; 0 ≦ x ≦ 1 ) , MnO2 , V2O5 , V6O13 , LiV3 O 8 , LiM C1 x M C2 1-x PO 4 (M C1 or M C2 = Fe, Mn, Ni, Co, Cr or Ti; 0≦x≦1), Li 3 V 2-x M 1 x (PO 4 ) 3 (M 1 = Cr, Co, Fe, Mg, Y, Ti, Nb or Ce; 0≦x≦1), LiVPO 4 F, LiM C1 x M C2 1-x O 2 ((M C1 and M C2 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1), LiM C1 x M C2 y M C3 1-x-y O 2 ((M C1 , M C2 and M C3 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1; 0≦y≦1, 0≦x+y≦1), LiMn 2-y X y O 4 (X=Cr, Al or Fe, 0≦y≦1), LiNi 0.5-y X y Mn 1.5 O 4 (X=Fe, Cr, Zn, Al, Mg, Ga, V or Cu; 0≦y<0.5), xLi 2 MnO 3. (1-x)LiM C1 y M C2 z M C3 1-y-z O 2 (M C1 , M C2 and M 26. The system of any one of paragraphs 1 to 25, wherein C3 is independently Mn, Ni, Co, Cr, Fe, or a mixture thereof; x=0.3-0.5; y≦0.5; z≦0.5), Li 2 M 2 SiO 4 (M 2 =Mn, Fe or Co), Li 2 M 2 SO 4 (M 2 =Mn, Fe or Co), LiM 2 SO 4 F (M 2 =Fe, Mn or Co), Li 2-x (Fe 1-y Mn y )P 2 O 7 (0≦x≦1; 0≦y≦1), Cr 3 O 8 , Cr 2 O 5 , a carbon/sulfur composite, or an air electrode.
V.実施例
実施例1
BTFE希釈剤を含むLSEを使用するSi/Gr||NMC532電池
コイン電池を、直径が15mmのケイ素/黒鉛アノードと、直径が14mmのNMC532(Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2)カソードと、45μLの電解質とを用いて調製した。このコイン電池はn/p比が約1.2であった:この場合、n/p比は負電極対正電極の面積容量比である。アノード組成が、73wt%のMagE3黒鉛(Hitachi Chemical Co.America,Ltd.、San Jose、CA)、15wt%のケイ素(Paraclete Energy、Chelsea、MI)、2wt%のTimcal C45炭素(Imerys Graphite&Carbon USA Inc.、Westlake、OH)、および10wt%のLiPAA(H2O)であり、LiOH滴定された。電極面積が1.77cm2であり、被覆厚さが27μmであり、総被覆塗布量が3.00mg/cm2であった。カソード組成が、90wt%のNMC532(Toda America、Battle Creek、MI)、5wt%のTimcal C45炭素、および5wt%のSolef(登録商標)5130 PVDF(Solvay、Brussels、ベルギー)であった;電極面積が1.54cm2であり、被覆厚さが42μmであり、総被覆塗布量が11.40mg/cm2であった。カソードおよびアノードがアルゴンヌ国立研究所のCAMP施設によって提供された。完全電池容量が2mAhであった。
V. Examples Example 1
Si/Gr||NMC532 Cells Using LSE with BTFE Diluent Coin cells were prepared with a 15 mm diameter silicon/ graphite anode, a 14 mm diameter NMC532 (Li( Ni0.5Mn0.3Co0.2 ) O2 ) cathode, and 45 μL of electrolyte. The coin cell had an n/p ratio of approximately 1.2, where n / p is the areal-capacity ratio of the negative electrode to the positive electrode. The anode composition was 73 wt% MagE3 graphite (Hitachi Chemical Co. America, Ltd., San Jose, CA), 15 wt% silicon (Paracrete Energy, Chelsea, MI), 2 wt% Timcal C45 carbon (Imerys Graphite & Carbon USA Inc., Westlake, OH), and 10 wt% LiPAA( H2O ), titrated with LiOH. The electrode area was 1.77 cm2 , the coating thickness was 27 μm, and the total coating loading was 3.00 mg/ cm2 . The cathode composition was 90 wt% NMC532 (Toda America, Battle Creek, MI), 5 wt% Timcal C45 carbon, and 5 wt% Solef® 5130 PVDF (Solvay, Brussels, Belgium); electrode area was 1.54 cm2 , coating thickness was 42 μm, and total coating loading was 11.40 mg/ cm2 . The cathode and anode were provided by the CAMP facility at Argonne National Laboratory. The full cell capacity was 2 mAh.
バッテリー規格のLiPF6、EC、EMCおよびFECをBASF Corporationから購入し、受領時のまま使用した。バッテリー規格のLiFSIをNippon Shokubai Co.,Ltd.から得た。ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE、99+%)をSynQuest Laboratoriesから購入した。ベースライン電解質が、10wt%のFECを含むEC/EMC(3:7、重量比)における1.2MのLiPF6であった。100サイクルにわたる電池性能が図5に示される。初回クーロン効率(FCE)が60~65%であり、50サイクルでの比容量保持率が71.2%であり、100サイクルでの比容量保持率が53.4%であった。 Battery grade LiPF 6 , EC, EMC and FEC were purchased from BASF Corporation and used as received. Battery grade LiFSI was obtained from Nippon Shokubai Co., Ltd. Bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE, 99+%) was purchased from SynQuest Laboratories. The baseline electrolyte was 1.2 M LiPF 6 in EC/EMC (3:7, by weight) with 10 wt % FEC. The cell performance over 100 cycles is shown in FIG. 5. The initial coulombic efficiency (FCE) was 60-65%, the specific capacity retention at 50 cycles was 71.2%, and the specific capacity retention at 100 cycles was 53.4%.
さらなる電解質を調製し、3~4.1Vの動作電圧域で評価した。サイクリックボルタンメトリーは、電解質が5Vまで安定であることを示す。結果が表1にまとめられ、図6に示される。結果から、LiFSIと、炭酸エステル系溶媒と、希釈剤と、FECとを含むLSEは、LiPAAバインダーを含むSi/Grアノードとの適合性を有することが明らかにされる。E-104は最良の結果をもたらし、FCEが75%であり、4サイクル目での比容量が117.6mAh/gであり、100サイクルでの比容量保持率が71%であった。
1.2MのLiFSIをTEPa-3BTFEにおいて含む不燃性電解質を調製し、コイン電池において評価した。結果が表2および図7~8に示される。このTEPA系LSEは、初回クーロンエネルギーがほんの37.87%にすぎないこと、および80サイクル後における容量保持率がゼロであることによって立証されるようにアノードとの適合性がなかった。
アノードを改変して、LiPAAバインダーをポリイミドバインダーに置き換え、そして、炭素が化学蒸着(CVD)によって被覆されたナノケイ素を含むようにした。アノード組成が次の通りであった:73wt%のHitachi MagE3黒鉛、15wt%のParaclete Energy C/Si(C/Si複合体における10%のCVD炭素、2wt%のTimcal C45炭素、および10wt%のポリイミド(PI);被覆厚さが26μmであり、総被覆塗布量が3mg/cm2であった。 The anode was modified to replace the LiPAA binder with a polyimide binder and to include nanosilicon coated with carbon by chemical vapor deposition (CVD). The anode composition was: 73 wt% Hitachi MagE3 graphite, 15 wt% Paraclete Energy C/Si (10% CVD carbon in C/Si composite, 2 wt% Timcal C45 carbon, and 10 wt% polyimide (PI); the coating thickness was 26 μm and the total coating loading was 3 mg/ cm2 .
コイン電池を、改変されたアノードと、実施例1のカソードと、ベースライン電解質(1.2M LiPF6/EC/EMC(3:7、重量比)+10wt% FEC-「Gen2+10% FEC」)とを用いて調製した。図9は、1回目、2回目および3回目のサイクルについての電圧対面積容量のグラフである。 Coin cells were prepared using the modified anode, the cathode of Example 1, and the baseline electrolyte (1.2 M LiPF 6 /EC/EMC (3:7, by weight) + 10 wt% FEC - "Gen2 + 10% FEC"). Figure 9 is a graph of voltage vs. areal capacity for the first, second, and third cycles.
バインダーおよび炭素被覆ナノケイ素の効果を、(i)実施例1のアノード(ベースラインアノード)と、(ii)非被覆のケイ素およびPIバインダーを有するアノードと、(iii)炭素被覆のナノケイ素およびPIバインダーを有するアノードとを用いてベースライン電解質を有するコイン電池において評価した。結果が表3および図10に示される。
PIバインダーはベースラインアノードよりも低い比容量をもたらし、このことは、不可逆容量と、PIからの低いFCEとに関連づけられ得る。炭素被覆Siと、PIバインダーとの組み合わせは、非被覆のSiを伴うPIバインダーと比較して、改善されたサイクル安定性を有した。 The PI binder resulted in a lower specific capacity than the baseline anode, which can be associated with the irreversible capacity and lower FCE from the PI. The combination of carbon-coated Si and the PI binder had improved cycling stability compared to the PI binder with uncoated Si.
PIバインダーを有する炭素被覆Si/Grアノードを、ベースライン電解質ならびにE-103およびE-313の電解質を用いてコイン電池においてさらに評価した。結果が表4および図11に示される。改変されたアノードは、著しく改善されたサイクル安定性をE-313電解質において示した。しかしながら、容量は、不可逆容量と、PIバインダーに起因し得る低いFCEとのために、依然としてより低い。
アノードプレリチウム化の効果を、PIバインダーを有する炭素被覆Si/Grアノードと、NMCカソードと、電解質E-313、または電解質E-313+1.2wt%のFECとを含むコイン電池において評価した。プレリチウム化を半電池構成でのアノードの3回の形成サイクルにより行った。結果が表5ならびに図12および13に示される。結果から、E-313はプレリチウム化アノードとの組み合わせで、著しい利点を、4サイクル目での比容量と、容量保持率との両方に関してもたらすことが明らかにされる。FECを含むことにより、4サイクル目での比容量が高くなり、しかし、保持率が低くなっていた。結果は、電池比容量がプレリチウム化処理により90mAh/g超となり得ること、および低い比容量がPIバインダーの低いFCEに起因し得ることを裏づけている。
図14には、効果的なLSE電解質の結果が、LiPAAバインダーを有するSi/Grアノードと、PIバインダーを有するプレリチウム化炭素被覆Si/Grアノードとについてまとめられる。電解質は、ベースライン「Gen2,FEC」(1.2 M LiPF6/EC/EMC(3:7、重量比)+10 wt% FEC)、E-104(表1)、E-313(表5)、およびE-313+FEC(表5)である。結果は、LiFSIをEC-EMCにおいて含むLSEにより、容量およびサイクル安定性が、LiPAAバインダーを有するSi/Grアノードについては効果的に高まることを示す。LiFSIをTEPaにおいて含むLSEにより、サイクル安定性が、PIバインダーを有する炭素被覆Si/Grアノードについては効果的に改善される;容量が、ベースライン「Gen2,FEC」電解質を有するSi/Gr-LiPAAアノードを含む電池の容量よりも大きく、しかし、Si/Gr-LiPAAアノードと、LiFSIをEC-EMCにおいて含むLSEとを有する電池よりも低いままである。 In Figure 14, the effective LSE electrolyte results are summarized for the Si/Gr anode with LiPAA binder and the prelithiated carbon coated Si/Gr anode with PI binder. The electrolytes are baseline "Gen2,FEC" (1.2 M LiPF6 /EC/EMC (3:7, by weight) + 10 wt% FEC), E-104 (Table 1), E-313 (Table 5), and E-313 + FEC (Table 5). The results show that the LSE with LiFSI in EC-EMC effectively enhances the capacity and cycling stability for the Si/Gr anode with LiPAA binder. With the LSE with LiFSI in TEPa, the cycling stability is effectively improved for the carbon-coated Si/Gr anode with PI binder; the capacity is higher than that of the cell with the Si/Gr-LiPAA anode with the baseline “Gen2,FEC” electrolyte, but remains lower than that of the cell with the Si/Gr-LiPAA anode and the LSE with LiFSI in EC-EMC.
実施例2
希釈剤が異なるLSEを使用するSi/Gr||NMC532電池
異なる希釈剤を同様に調べ、LiFSi-EC:EMC系のLSE(LHCE)と比較した。これら3つの電解質についての塩濃度は同じであった。図15および表6における結果は、3つすべての希釈剤(BTFE、TTEおよびTFEO)がサイクル安定性およびFCEを改善したことを示す。TTE系LHCEは、BTFE系LHCEと比較して、比容量が高くなっていること、しかし、サイクル安定性がわずかに劣っていることを明らかにした。TFEO系LHCEは、TTE系LHCEおよびBTFE系LHCEの両方と比較してより低い比容量を示したが、このことは、これらの3つの電解質の粘度および電気伝導率の差に起因し得る。TTE系LHCEおよびTFEO系LHCEの両方が、類似したサイクル安定性(80%)を80サイクル後において示した。これらの3つの電解質の中で、BTFE系LHCEが、サイクル安定性および比容量に関して最も良い電気化学的挙動を示した。
Si/Gr||NMC532 Cells Using LSEs with Different Diluents Different diluents were similarly investigated and compared with LiFSi-EC:EMC-based LSEs (LHCEs). The salt concentrations for these three electrolytes were the same. The results in FIG. 15 and Table 6 show that all three diluents (BTFE, TTE, and TFEO) improved cycling stability and FCE. The TTE-based LHCE revealed higher specific capacity but slightly inferior cycling stability compared to the BTFE-based LHCE. The TFEO-based LHCE showed lower specific capacity compared to both the TTE-based LHCE and the BTFE-based LHCE, which may be due to the difference in viscosity and electrical conductivity of these three electrolytes. Both the TTE-based LHCE and the TFEO-based LHCE showed similar cycling stability (80%) after 80 cycles. Among these three electrolytes, the BTFE-based LHCE showed the best electrochemical behavior in terms of cycling stability and specific capacity.
E-104 LSEの電圧域を、図16に示されるようにサイクリックボルタンメトリー(CV)測定によって調べた。結果は、E-104が5Vまで安定であることを示す。異なる上限電圧におけるE-104の電気化学的性能もまた、図17に示されるように、Li||NMC532電池構成を用いて調べた。Li||NMC532電池は、E-104を用いて4.5Vまでの安定なサイクル安定性を明らかにした。対照的に、ベースライン電解質(Gen2、10wt%のFEC)を有する電池は、電池が4.3Vに充電されたときには急速な容量低下を示した。 The voltage range of E-104 LSE was investigated by cyclic voltammetry (CV) measurements as shown in Figure 16. The results show that E-104 is stable up to 5 V. The electrochemical performance of E-104 at different upper voltage limits was also investigated using Li||NMC532 cell configuration as shown in Figure 17. The Li||NMC532 cell revealed stable cycling stability up to 4.5 V with E-104. In contrast, the cell with baseline electrolyte (Gen2, 10 wt% FEC) showed rapid capacity fade when the cell was charged to 4.3 V.
実施例3
LSEを有するSi/Gr||NMC333電池
不燃性電解質を、ケイ素(Si)系アノードを用いて評価した。理論的容量が1000mAh/gであるSi/黒鉛(Si/Gr)複合体を、BTR New Energy Materials Inc.(中国)から得た。このSi/Gr電極は、活物質としての80wt%のBTR-1000と、導電剤としての10wt%のSuper-P(登録商標)カーボンと、バインダーとしての10wt%のポリイミド(PI)とから構成された。直径が1.27cmであり、平均質量塗布量が2.15mgcm-2である電極ディスクを打ち抜き、精製アルゴンが満たされるグローブボックスにおいて乾燥し、保存した。バッテリー規格のLiPF6、EC、EMCおよびFECをBASF Corporationから購入し、受領時のまま使用した。バッテリー規格でのLiFSIをNippon Shokubai Co.,Ltd.から得た。ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE、99+%)をSynQuest Laboratoriesから購入した。TEPaをSigma-Aldrichから購入した。2つのBTFE希釈された不燃性電解質を調製した:NFE-1は、LiFSI、TEPaおよびBTFEを0.75:1:3のモル比により含み、NFE-2はLiFSI-1.2TEPa-0.13FEC-4BTFEを含んだ(モル比;FECの量が1.2wt%である)。NFE-2におけるLiFSIの容量モル濃度が1.2Mであった。表7にまとめられるように、3つの対照電解質、すなわち、異なる量のFEC(2wt%、5wt%および10wt%)を含むEC-EMC(3:7、重量比)における1.15MのLiPF6(これらを、E-対照1、E-対照2およびE-対照3とそれぞれ名付けた)を比較のために調製し、評価した。
Si/Gr||NMC333 Cell with LSE The non-flammable electrolyte was evaluated with a silicon (Si)-based anode. A Si/graphite (Si/Gr) composite with a theoretical capacity of 1000 mAh/g was obtained from BTR New Energy Materials Inc. (China). The Si/Gr electrode was composed of 80 wt% BTR-1000 as the active material, 10 wt% Super-P® carbon as the conductive agent, and 10 wt% polyimide (PI) as the binder. Electrode disks with a diameter of 1.27 cm and an average mass coating weight of 2.15 mg cm −2 were punched out, dried, and stored in a glove box filled with purified argon. Battery grade LiPF 6 , EC, EMC and FEC were purchased from BASF Corporation and used as received. Battery grade LiFSI was obtained from Nippon Shokubai Co., Ltd. Bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE, 99+%) was purchased from SynQuest Laboratories. TEPa was purchased from Sigma-Aldrich. Two BTFE diluted non-flammable electrolytes were prepared: NFE-1 contained LiFSI, TEPa and BTFE in a molar ratio of 0.75:1:3, and NFE-2 contained LiFSI-1.2TEPa-0.13FEC-4BTFE (molar ratio; amount of FEC is 1.2 wt %). The molarity of LiFSI in NFE-2 was 1.2 M. Three control electrolytes, namely 1.15 M LiPF 6 in EC-EMC (3:7, weight ratio) containing different amounts of FEC (2 wt %, 5 wt % and 10 wt %), named as E-Control 1, E-Control 2 and E-Control 3, respectively, were prepared and evaluated for comparison, as summarized in Table 7.
図18は、BTFE希釈電解質(NFE-1、四角;NFE-2、丸)および3つの対照電解質を用いてのLi||Si/Gr半電池のサイクル性能を示す。NFE-1電解質におけるSi/Gr電極は770mAh/gの初期可逆容量をもたらし、容量保持率が300サイクル後において66.2%であり、一方、FEC含有の不燃性電解質(NFE-2)を有するSi/Gr電極は762mAh/gの初期可逆容量を有し、容量保持率が300サイクル後において73%であった。NFE-2と同様のFEC量を有する従来の電解質(E-対照-3)に関しては、容量が40サイクル後において急速に低下した。FECの量を5および10wt%に増大させたときには、サイクル性能が60サイクルおよび140サイクルにまでそれぞれ伸びた。 Figure 18 shows the cycling performance of Li||Si/Gr half-cells with BTFE-diluted electrolyte (NFE-1, squares; NFE-2, circles) and three control electrolytes. The Si/Gr electrode in NFE-1 electrolyte gave an initial reversible capacity of 770 mAh/g with a capacity retention of 66.2% after 300 cycles, while the Si/Gr electrode with FEC-containing non-flammable electrolyte (NFE-2) had an initial reversible capacity of 762 mAh/g with a capacity retention of 73% after 300 cycles. For the conventional electrolyte (E-control-3) with a similar FEC content as NFE-2, the capacity dropped rapidly after 40 cycles. When the amount of FEC was increased to 5 and 10 wt%, the cycling performance was extended to 60 and 140 cycles, respectively.
Si/Grアノードと、NMC333の市販のカソード材料とを使用する完全電池もまた調べた。2.8~4.2Vの動作電圧域において0.5mAcm-2で充電され、0.75mAcm-2で放電されたとき、NMC333カソードの比容量が約150mAhg-1であり、面積容量が約1.5mAhcm-2であった。アノード部分を、SEI形成から生じる難題を軽減するために半電池においてLi金属に対してプレサイクルし、完全電池に再組み立てした。1:1.1のカソードおよびアノードの容量比を一致させて、良好な完全電池性能を得た。わずかにより高いSi含有量が、アノードが完全電池の充電の期間中に過度にリチウム化されることを防止するために有利である。図19は、2つのBTFE希釈電解質を用いてのSi/Gr||NMC333完全電池のサイクル性能を示す。NFE-2を有する完全電池は、より良好なサイクル性能を示し、容量保持率が300サイクル後において86%であった(NFE-1電解質については81%であった)。 Full cells using Si/Gr anodes and NMC333 commercial cathode material were also investigated. When charged at 0.5 mA cm −2 and discharged at 0.75 mA cm −2 in the operating voltage range of 2.8-4.2 V, the specific capacity of the NMC333 cathode was about 150 mAhg −1 and the areal capacity was about 1.5 mAh cm −2 . The anode part was precycled against Li metal in half cells to mitigate the challenges arising from SEI formation and reassembled into full cells. The capacity ratio of the cathode and anode was matched at 1:1.1 to obtain good full cell performance. The slightly higher Si content is advantageous to prevent the anode from being over-lithiated during the charging of the full cell. Figure 19 shows the cycling performance of Si/Gr||NMC333 full cells with two BTFE diluted electrolytes. The full cell with NFE-2 showed better cycling performance, with 86% capacity retention after 300 cycles (versus 81% for NFE-1 electrolyte).
NFE-2およびE-対照3を用いるSi/Gr||NMC333電池の第2のバッチを調製した。NMCカソードに基づく最初の放電容量が147.9mAhg-1であり、初期クーロン効率が、Li||NMC333半電池において得られる値に非常に近い89%であった(図20~21)。面積容量が1.5mAh/cm2付近であり(図21)、すべての電池が140サイクル後において依然として作動していた。E-対照3に基づく完全電池の場合には、電池は同等の比容量を示し、しかし、比容量が90サイクル後において急速に低下し始めた。加えて、NFE-2に基づく半電池のサイクルクーロン効率が、E-対照3に基づく電池のサイクルクーロン効率よりも高かった。 A second batch of Si/Gr||NMC333 cells using NFE-2 and E-control-3 was prepared. The first discharge capacity based on the NMC cathode was 147.9 mAh g-1 , and the initial coulombic efficiency was 89%, very close to the value obtained in the Li||NMC333 half-cell (Figs. 20-21). The areal capacity was around 1.5 mAh/ cm2 (Fig. 21), and all cells were still working after 140 cycles. In the case of the full cell based on E-control-3, the cells showed comparable specific capacity, but the specific capacity started to decrease rapidly after 90 cycles. In addition, the cycle coulombic efficiency of the half-cell based on NFE-2 was higher than that of the cell based on E-control-3.
面積容量がより大きいSi/Gr(3.2mAh/cm2)およびNMC333(2.8mAh/cm2)を有する電池を、NFE-2およびE-対照3を用いて調製し、評価した。0.15mAcm-2での極端な繰り返し使用の後では、可逆面積容量が3.1mAcm-2に達した(図22)。充電のための0.75mAcm-2および放電のための0.3mAcm-2の大きい割合において4サイクル目から100サイクル目まで、NFE-2に関しての容量保持率が100サイクル後において最大で95.0%にまで達した。 Batteries with higher areal capacities of Si/Gr (3.2 mAh/cm 2 ) and NMC333 (2.8 mAh/cm 2 ) were prepared and evaluated using NFE-2 and E-control 3. After extreme cycling at 0.15 mA cm 2 , the reversible areal capacity reached 3.1 mA cm 2 ( FIG. 22 ). At a high ratio of 0.75 mA cm 2 for charging and 0.3 mA cm 2 for discharging from the 4th to the 100th cycles, the capacity retention for NFE-2 reached up to 95.0% after 100 cycles.
図23は、NFE-1、NFE-2およびE-対照3の電解質を用いるSi/Gr||NMC333電池の25℃での長期サイクル安定性を明らかにする。3つすべての電解質における電池は、0.15mAcm-2の電流密度での最初の3回の形成サイクルについて(カソードに基づいて)150mAhg-1の類似した可逆容量を示した。電流密度をその後の600サイクルにおいて充電のためには0.3mAcm-2に増大させ、放電のためには0.75mAcm-2に増大させたとき、サイクル安定性が、NFE-2>NFE-1>E-対照3の順で変化した。126.5および112.5mAhg-1の可逆容量が、NFE-2およびNFE-1により5C割合でそれぞれ得られた。完全電池の長期サイクル安定性を注意深く分析したとき、E-対照3は速い容量減衰をもたらし、容量保持率が500サイクル後において50.3%であった。NFE-1に関しては、容量保持率が500サイクルにわたって65.7%であった。対照的に、NFE-2を有する電池は優れた長期サイクル性能を示し、容量保持率が600サイクル後において89.8%であった。CEが100%に近かった。 Figure 23 reveals the long-term cycling stability at 25 °C of Si/Gr||NMC333 cells with NFE-1, NFE-2 and E-Control-3 electrolytes. Cells in all three electrolytes showed similar reversible capacities of 150 mAh g -1 (based on the cathode) for the first three formation cycles at a current density of 0.15 mA cm -2 . When the current density was increased to 0.3 mA cm -2 for charging and 0.75 mA cm -2 for discharging in the subsequent 600 cycles, the cycling stability changed in the order NFE-2 > NFE-1 > E-Control-3. Reversible capacities of 126.5 and 112.5 mAh g -1 were obtained with NFE-2 and NFE-1, respectively, at a 5C rate. When the long-term cycling stability of the complete cells was carefully analyzed, E-Control 3 resulted in fast capacity fade, with a capacity retention of 50.3% after 500 cycles. For NFE-1, the capacity retention was 65.7% over 500 cycles. In contrast, the cell with NFE-2 showed excellent long-term cycling performance, with a capacity retention of 89.8% after 600 cycles. The CE was close to 100%.
そのうえ、NFE-2を有する完全電池はまた、より良好なサイクル安定性を45℃の高い温度で示した(図24)。NFE-2を有する完全電池の45℃での平均CEが99.6%であり、25℃で繰り返し使用される完全電池の平均CE(約100%)よりもほんのわずかに低かったが、これは、電解質が高温での電極/電解質界面でより多く分解することから生じるより厚い副生成物薄膜の形成に起因し得る可能性がある。より厚いSEIおよびCEIの両方の形成が伴う副生成物はバッテリーのインピーダンス増加および容量低下をもたらした。しかしながら、NFE-2は、電池が45℃で繰り返し使用されたとき、容量保持率が200サイクルにわたって90.2%であることを依然として可能にした。 Moreover, the full battery with NFE-2 also showed better cycling stability at a high temperature of 45°C (Figure 24). The average CE of the full battery with NFE-2 at 45°C was 99.6%, which was only slightly lower than the average CE (about 100%) of the full battery cycled at 25°C, which could be attributed to the formation of a thicker by-product film resulting from the electrolyte decomposing more at the electrode/electrolyte interface at high temperature. The by-products accompanied by the formation of both thicker SEI and CEI led to an increase in the impedance and capacity loss of the battery. However, NFE-2 still allowed the capacity retention to be 90.2% over 200 cycles when the battery was cycled at 45°C.
開示された発明の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、例示された実施形態は本発明の単に好ましい実例にすぎず、本発明の範囲を限定するものとして解釈してはならないことが認識されなければならない。むしろ、本発明の範囲は以下の請求項によって定義される。したがって、本発明者らは、これらの請求項の範囲および趣旨内であるすべてのものを本発明者らの発明として主張する。
一実施形態において、例えば、以下の項目が提供される。
(項目1)
電解質と、アノードとを含むシステムであって、
前記電解質が、
リチウムカチオンを含む活性塩、
(i)炭酸フルオロエチレン(FEC)以外の炭酸エステル、(ii)難燃剤化合物、または(iii)(i)および(ii)の両方を含む非水性溶媒(ここで、前記活性塩は前記非水性溶媒に可溶性である)、および
フルオロアルキルエーテル、フッ素化オルトギ酸エステル、またはそれらの組み合わせを含む希釈剤(ここで、前記活性塩は、前記非水性溶媒における前記活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である前記希釈剤における溶解度を有する)
を含み、
前記アノードがケイ素を含む、システム。
(項目2)
前記電解質がさらに0.1~30wt%のFECを含む、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記活性塩は前記電解質において0.5M~6Mの範囲内のモル濃度を有する、項目1に記載のシステム。
(項目4)
前記活性塩が、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(LiBETI)、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiBOB)、LiPF
6
、LiAsF
6
、LiBF
4
、LiCF
3
SO
3
、LiClO
4
、ジフルオロオキサラトホウ酸リチウム(LiDFOB)、LiI、LiBr、LiCl、LiSCN、LiNO
3
、LiNO
2
、Li
2
SO
4
、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項目1に記載のシステム。
(項目5)
前記非水性溶媒が、有機リン酸エステル、有機亜リン酸エステル、有機ホスホン酸エステル、有機ホスホルアミド、ホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む難燃剤化合物を含む、項目1に記載のシステム。
(項目6)
前記難燃剤化合物が、リン酸トリエチル、リン酸トリメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)、リン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル;亜リン酸トリメチル、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル);メチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、フェニルホスホン酸ジエチル、メチルホスホン酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル);ヘキサメチルホスホルアミド;ヘキサメトキシホスファゼン、ヘキサフルオロホスファゼン、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項目5に記載のシステム。
(項目7)
前記非水性溶媒が炭酸エチレン(EC)および炭酸エチル(EMC)、またはECおよび炭酸ジエチル(DEC)、またはECおよび炭酸ジメチル(DMC)、またはECと、EMC、DEC、DMC、炭酸プロピレン(PC)の組み合わせとを含む、項目1に記載のシステム。
(項目8)
前記希釈剤が、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)エーテル(BTFE)、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)、1,1,2,2,-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル(TFTFE)、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル(OTE)、メトキシノナフルオロブタン(MOFB)、エトキシノナフルオロブタン(EOFB)、オルトギ酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)(TFEO)、オルトギ酸トリス(ヘキサフルオロイソプロピル)(THFiPO)、オルトギ酸トリス(2,2-ジフルオロエチル)(TDFEO)、オルトギ酸ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)メチル(BTFEMO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)(TPFPO)、オルトギ酸トリス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)(TTPO)、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項目1に記載のシステム。
(項目9)
前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項目1に記載のシステム。
(項目10)
前記電解質が、
1~3MのLiFSIと、
比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、項目9に記載のシステム。
(項目11)
前記電解質が、
1~3MのLiFSIと、
リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、TEPa対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、項目9に記載のシステム。
(項目12)
前記アノードが黒鉛/ケイ素複合体を含む、項目1に記載のシステム。
(項目13)
前記アノードがさらにポリアクリル酸リチウムバインダーまたはポリイミドバインダーを含む、項目13に記載のシステム。
(項目14)
前記ケイ素が炭素被覆のナノケイ素である、項目13に記載のシステム。
(項目15)
前記バインダーがポリイミドを含む、項目14に記載のシステム。
(項目16)
前記電解質が、
1~3MのLiFSIと、
リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対前記希釈剤のモル比が2~4の範囲内である、項目15に記載のシステム。
(項目17)
カソードをさらに含み、ここで、前記アノードがプレリチウム化され、そして、前記システムが、100サイクル後において80%以上の容量保持率を有する、項目15に記載のシステム。
(項目18)
前記バインダーがポリアクリル酸リチウムを含み、そして、前記電解質が、
1~3MのLiFSIと、
比率が重量比で3:7であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~3の範囲内である、項目13に記載のシステム。
(項目19)
カソードをさらに含み、ここで、前記システムが、100サイクル後において70%以上の容量保持率を有する、項目18に記載のシステム。
(項目20)
カソードをさらに含み、前記カソードが、Li
1+w
Ni
x
Mn
y
Co
z
O
2
(x+y+z+w=1、0≦w≦0.25)、LiNi
x
Mn
y
Co
z
O
2
(x+y+z=1)、LiNi
0.8
Co
0.15
Al
0.05
O
2
、LiCoO
2
、LiNi
0.5
Mn
1.5
O
4
スピネル、LiMn
2
O
4
、LiFePO
4
、Li
4-x
M
x
Ti
5
O
12
(M=Mg、Al、Ba、SrまたはTa;0≦x≦1)、MnO
2
、V
2
O
5
、V
6
O
13
、LiV
3
O
8
、LiM
C1
x
M
C2
1-x
PO
4
(M
C1
またはM
C2
=Fe、Mn、Ni、Co、CrまたはTi;0≦x≦1)、Li
3
V
2-x
M
1
x
(PO
4
)
3
(M
1
=Cr、Co、Fe、Mg、Y、Ti、NbまたはCe;0≦x≦1)、LiVPO
4
F、LiM
C1
x
M
C2
1-x
O
2
((M
C1
およびM
C2
は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1)、LiM
C1
x
M
C2
y
M
C3
1-x-y
O
2
((M
C1
、M
C2
およびM
C3
は独立して、Fe、Mn、Ni、Co、Cr、Ti、MgまたはAlである;0≦x≦1;0≦y≦1、0≦x+y≦1)、LiMn
2-y
X
y
O
4
(X=Cr、AlまたはFe、0≦y≦1)、LiNi
0.5-y
X
y
Mn
1.5
O
4
(X=Fe、Cr、Zn、Al、Mg、Ga、VまたはCu;0≦y<0.5)、xLi
2
MnO
3
・(1-x)LiM
C1
y
M
C2
z
M
C3
1-y-z
O
2
(M
C1
、M
C2
およびM
C3
は独立して、Mn、Ni、Co、Cr、Fe、またはそれらの混合である;x=0.3~0.5;y≦0.5;z≦0.5)、Li
2
M
2
SiO
4
(M
2
=Mn、FeまたはCo)、Li
2
M
2
SO
4
(M
2
=Mn、FeまたはCo)、LiM
2
SO
4
F(M
2
=Fe、MnまたはCo)、Li
2-x
(Fe
1-y
Mn
y
)P
2
O
7
(0≦x≦1;0≦y≦1)、Cr
3
O
8
、Cr
2
O
5
、炭素/イオウ複合体、または空気電極を含む、項目1に記載のシステム。
In view of the many possible embodiments to which the principles of the disclosed invention may be applied, it must be recognized that the illustrated embodiments are merely preferred illustrations of the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention. Rather, the scope of the invention is defined by the following claims. We therefore claim as our invention all that comes within the scope and spirit of these claims.
In one embodiment, for example, the following items are provided:
(Item 1)
A system comprising an electrolyte and an anode,
The electrolyte is
an active salt containing a lithium cation;
(i) a carbonate ester other than fluoroethylene carbonate (FEC); (ii) a flame retardant compound; or (iii) a non-aqueous solvent comprising both (i) and (ii), wherein the active salt is soluble in the non-aqueous solvent; and
a diluent comprising a fluoroalkyl ether, a fluorinated orthoformate ester, or a combination thereof, wherein the active salt has a solubility in the diluent that is at least 10 times lower than the solubility of the active salt in the non-aqueous solvent;
Including,
The system wherein the anode comprises silicon.
(Item 2)
2. The system of claim 1, wherein the electrolyte further comprises 0.1 to 30 wt % FEC.
(Item 3)
2. The system of claim 1, wherein the active salt has a molar concentration in the electrolyte in the range of 0.5 M to 6 M.
(Item 4)
2. The system of claim 1, wherein the active salt comprises lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (LiBETI), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), LiPF6 , LiAsF6 , LiBF4 , LiCF3SO3 , LiClO4 , lithium difluorooxalatoborate (LiDFOB ) , LiI, LiBr , LiCl, LiSCN, LiNO3 , LiNO2 , Li2SO4 , or any combination thereof.
(Item 5)
2. The system of claim 1, wherein the non-aqueous solvent comprises a flame retardant compound comprising an organophosphate, an organophosphite, an organophosphonate, an organophosphoramide, a phosphazene, or any combination thereof.
(Item 6)
6. The system of claim 5, wherein the flame retardant compound comprises triethyl phosphate, trimethyl phosphate, tributyl phosphate, triphenyl phosphate, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl phosphate; trimethyl phosphite, triphenyl phosphite, tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphite; dimethyl methylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, diethyl phenylphosphonate, bis(2,2,2-trifluoroethyl)methylphosphonate; hexamethylphosphoramide; hexamethoxyphosphazene, hexafluorophosphazene, or any combination thereof.
(Item 7)
2. The system of claim 1, wherein the non-aqueous solvent comprises ethylene carbonate (EC) and ethyl carbonate (EMC), or EC and diethyl carbonate (DEC), or EC and dimethyl carbonate (DMC), or a combination of EC, EMC, DEC, DMC, and propylene carbonate (PC).
(Item 8)
The diluent is selected from the group consisting of bis(2,2,2-trifluoroethyl)ether (BTFE), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE), 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether (TFTFE), 1H,1H,5H-octafluoropentyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether (OTE), methoxynonafluorobutane (MOFB), ethoxynonafluorobutane (EOFB), tris orthoformate, 2. The system of claim 1, comprising tris(2,2,2-trifluoroethyl)methyl orthoformate (TFEO), tris(hexafluoroisopropyl)orthoformate (THFiPO), tris(2,2-difluoroethyl)orthoformate (TDFEO), bis(2,2,2-trifluoroethyl)methyl orthoformate (BTFEMO), tris(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl)orthoformate (TPFPO), tris(2,2,3,3-tetrafluoropropyl)orthoformate (TTPO), or any combination thereof.
(Item 9)
2. The system of claim 1, wherein the diluent comprises BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof.
(Item 10)
The electrolyte is
1-3M LiFSI;
EC-EMC in a weight ratio of 4:6 to 2:8 and 0 to 30 wt % FEC;
and said diluent, wherein the molar ratio of EC-EMC to said diluent is in the range of 1 to 4.
(Item 11)
The electrolyte is
1-3M LiFSI;
Triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC;
and said diluent, wherein the molar ratio of TEPa to said diluent is in the range of 1 to 4.
(Item 12)
2. The system of claim 1, wherein the anode comprises a graphite/silicon composite.
(Item 13)
14. The system of claim 13, wherein the anode further comprises a lithium polyacrylate binder or a polyimide binder.
(Item 14)
14. The system of claim 13, wherein the silicon is carbon coated nanosilicon.
(Item 15)
15. The system of claim 14, wherein the binder comprises a polyimide.
(Item 16)
The electrolyte is
1-3M LiFSI;
Triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC;
and a diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 2 to 4.
(Item 17)
16. The system of claim 15, further comprising a cathode, wherein the anode is prelithiated and the system has a capacity retention of 80% or greater after 100 cycles.
(Item 18)
The binder comprises lithium polyacrylate and the electrolyte comprises
1-3M LiFSI;
EC-EMC and 0-30 wt % FEC in a weight ratio of 3:7;
and a diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1 to 3.
(Item 19)
20. The system of claim 18, further comprising a cathode, wherein the system has a capacity retention of 70% or greater after 100 cycles.
(Item 20)
The cathode may further comprise a cathode selected from the group consisting of Li1 + wNixMnyCozO2 ( x + y + z + w =1 , 0≦w≦0.25), LiNixMnyCozO2 (x+y + z = 1 ) , LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 , LiCoO2 , LiNi0.5Mn1.5O4 spinel , LiMn2O4 , LiFePO4 , Li4 - xMxTi5O12 ( M = Mg , Al , Ba , Sr or Ta ; 0 ≦ x ≦ 1 ) , MnO2 , V2O5 , V6O13 , LiV3 O 8 , LiM C1 x M C2 1-x PO 4 (M C1 or M C2 = Fe, Mn, Ni, Co, Cr or Ti; 0≦x≦1), Li 3 V 2-x M 1 x (PO 4 ) 3 (M 1 = Cr, Co, Fe, Mg, Y, Ti, Nb or Ce; 0≦x≦1), LiVPO 4 F, LiM C1 x M C2 1-x O 2 ((M C1 and M C2 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1), LiM C1 x M C2 y M C3 1-x-y O 2 ((M C1 , M C2 and M C3 are independently Fe, Mn, Ni, Co, Cr, Ti, Mg or Al; 0≦x≦1; 0≦y≦1, 0≦x+y≦1), LiMn 2-y X y O 4 (X=Cr, Al or Fe, 0≦y≦1), LiNi 0.5-y X y Mn 1.5 O 4 (X=Fe, Cr, Zn, Al, Mg, Ga, V or Cu; 0≦y<0.5), xLi 2 MnO 3. (1-x)LiM C1 y M C2 z M C3 1-y-z O 2 (M C1 , M C2 and M 2. The system of claim 1, wherein C3 is independently Mn, Ni, Co, Cr, Fe, or a mixture thereof; x=0.3-0.5; y≦0.5; z≦0.5), Li 2 M 2 SiO 4 (M 2 =Mn, Fe, or Co), Li 2 M 2 SO 4 (M 2 =Mn, Fe, or Co), LiM 2 SO 4 F (M 2 =Fe, Mn, or Co), Li 2-x (Fe 1-y Mn y )P 2 O 7 (0≦x≦1; 0≦y≦1), Cr 3 O 8 , Cr 2 O 5 , a carbon/sulfur composite, or an air electrode.
Claims (18)
前記電解質が、
リチウムカチオンを含む活性塩であって、ここで、前記活性塩が、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)を含む、活性塩、
(i)炭酸フルオロエチレン(FEC)以外の炭酸エステル、(ii)難燃剤化合物、または(iii)(i)および(ii)の両方を含む非水性溶媒(ここで、前記活性塩は前記非水性溶媒に可溶性である)、
0~30wt%のFEC、および
フルオロアルキルエーテル、フッ素化オルトギ酸エステル、またはそれらの組み合わせを含む希釈剤(ここで、前記活性塩は、前記非水性溶媒における前記活性塩の溶解度の少なくとも10分の1である前記希釈剤における溶解度を有する)
から本質的になり、
前記アノードが、炭素/ケイ素複合体およびバインダーを含み、前記バインダーが、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、エチレンオキシドポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン-ブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロン、またはカルボキシメチルセルロースを含み、
前記炭酸エステルが、炭酸エチレン(EC)、炭酸エチルメチル(EMC)、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸プロピレン(PC)、またはそれらの任意の組み合わせを含み、
ここで、前記バインダーがポリアクリレートを含む場合、前記電解質がリン酸トリエチル(TEPa)を含まない、
リチウムイオンバッテリーシステム。 1. A lithium ion battery system comprising an electrolyte and an anode,
The electrolyte is
an active salt comprising a lithium cation , wherein the active salt comprises lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI);
(i) a carbonate ester other than fluoroethylene carbonate (FEC); (ii) a flame retardant compound; or (iii) a non-aqueous solvent comprising both (i) and (ii), wherein the active salt is soluble in the non-aqueous solvent;
0-30 wt % FEC; and a diluent comprising a fluoroalkyl ether, a fluorinated orthoformate ester, or a combination thereof, wherein the active salt has a solubility in the diluent that is at least 10 times lower than the solubility of the active salt in the non-aqueous solvent.
It essentially consists of
the anode comprises a carbon /silicon composite and a binder, the binder comprising polyacrylate, polyimide, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, ethylene oxide polymer, polyvinylpyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon, or carboxymethyl cellulose;
the carbonate ester comprises ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), propylene carbonate (PC), or any combination thereof;
Wherein, when the binder contains polyacrylate, the electrolyte does not contain triethyl phosphate (TEPa);
Lithium-ion battery system.
1~3MのLiFSIと、
比率が重量比で4:6~2:8であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、請求項8に記載のリチウムイオンバッテリーシステム。 The electrolyte is
1-3M LiFSI;
EC-EMC in a weight ratio of 4:6 to 2:8 and 0 to 30 wt % FEC;
and said diluent, wherein a molar ratio of EC-EMC to said diluent is in the range of 1-4 .
1~3MのLiFSIと、
リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、TEPa対前記希釈剤のモル比が1~4の範囲内である、請求項8に記載のリチウムイオンバッテリーシステム。 The electrolyte is
1-3M LiFSI;
Triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC;
and said diluent, wherein a molar ratio of TEPa to said diluent is in the range of 1-4 .
1~3MのLiFSIと、
リン酸トリエチル(TEPa)および0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、TEPa対前記希釈剤のモル比が2~4の範囲内である、請求項14に記載のリチウムイオンバッテリーシステム。 The electrolyte is
1-3M LiFSI;
Triethyl phosphate (TEPa) and 0-30 wt % FEC;
and a diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of TEPa to the diluent is in the range of 2 to 4 .
1~3MのLiFSIと、
比率が重量比で3:7であるEC-EMCおよび0~30wt%のFECと、
前記希釈剤とを含み、ここで、前記希釈剤が、BTFE、TTE、OTE、TFEO、またはそれらの任意の組み合わせであり、そして、EC-EMC対前記希釈剤のモル比が1~3の範囲内である、請求項12に記載のリチウムイオンバッテリーシステム。 The binder comprises lithium polyacrylate and the electrolyte comprises
1-3M LiFSI;
EC-EMC and 0-30 wt % FEC in a weight ratio of 3:7;
and a diluent, wherein the diluent is BTFE, TTE, OTE, TFEO, or any combination thereof, and the molar ratio of EC-EMC to the diluent is in the range of 1 to 3 .
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