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JP2024069265A - リチウムイオン電池の作動方法、リチウムイオン電池および自動車 - Google Patents

リチウムイオン電池の作動方法、リチウムイオン電池および自動車 Download PDF

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JP2024069265A JP2024028420A JP2024028420A JP2024069265A JP 2024069265 A JP2024069265 A JP 2024069265A JP 2024028420 A JP2024028420 A JP 2024028420A JP 2024028420 A JP2024028420 A JP 2024028420A JP 2024069265 A JP2024069265 A JP 2024069265A
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Scharner Sebastian
ニュルンベルガー・ジーモン
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Reiter Jakub
アンドレ・ダーフェ
Andre Dave
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Abstract

【課題】安全性が高く、寿命が長く、構造設計が簡便なリチウムイオン電池を作動する方法を提供する。【解決手段】少なくとも１つのリチウムイオンセル及び加熱装置２を含むリチウムイオン電池を作動する方法に関し、加熱装置がリチウムイオン電池を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、リチウムイオンセルがアノード４、カソード５、セパレータ６、集電器７及び電解質３を有し、電池を作動する方法は５～９０℃の温度範囲で電池を作動する工程を含み、ここで電解質が：ａ）伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣ、または、ｂ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高い安全性および耐用寿命を有する、リチウムイオン電池の作動方法、リチウムイオン電池および自動車に関する。
リチウムイオン電池は、これまで－４０℃から＋６０℃の温度範囲で動作するように設計されてきた。低温でのパワー損失を避けるために、例えば、ＤＥ１０２０１２２１０１４６Ａ１から知られているように、セルは加熱装置（ヒーター）によって適切な温度に保たれる。リチウムイオン電池は低温でも機能する必要があるため、低沸点の溶剤を使用する必要があり、これは、例えば、より高い圧力の蓄積、爆発性の空気混合溶媒を形成するより高い傾向などによる、高温での電池の全体的な安全性に欠点がある。これには冷却の使用が必要となる。いずれにせよ、このようなリチウムイオン電池の構築は非常に複雑であり、安全性、ひいてはリチウムイオン電池の寿命という点でリスクを伴う。
ＤＥ１０２０１２２１０１４６Ａ１
この先行技術に基づいて、本発明の課題は、リチウムイオン電池はユーザの安全性が高く、寿命が長いことを特徴とし、同時に構造設計が簡便な、リチウムイオン電池作動する方法およびリチウムイオン電池と、そのようなリチウムイオン電池を含む自動車を提供することである。
当該課題は、独立した特許請求の範囲の特徴によって達成される。
このようにして、課題は、特にリチウム蓄電池として設計され、少なくとも１つのリチウムイオンセル、通常は複数のスタックされた（積み重ねられた）リチウムイオンセル、および加熱装置を含むリチウムイオン電池を作動させる方法によって達成される。各リチウムイオンセルはさらに、アノード、カソード、セパレータ、集電器および電解質を含む。加熱装置は、リチウムイオン電池を５～９０℃の温度範囲で作動させるように設定されている。
本発明によれば、リチウムイオンセルは、このようにして、５～９０℃の温度範囲、特に１０～８０℃の温度範囲において、特に加熱装置を用いることによって専ら作動する。言い換えれば、このことは、本発明による方法を用いることによって、リチウムイオン電池は正の温度範囲でのみ作動し、これに対してのみ設計されていることを意味する。これは多くの利点をもたらす：例えば、これ以外は低温では使用できない伝導塩を使用する。これらはしばしば安定性のレベルが高く、リチウムイオン電池の出力が永久的に良好であることに反映されるという特徴がある。安全性を最適化し、耐用期間を最適化し、電圧レベルを最適化し、コストを最適化する溶媒を用いることも可能である。
したがって、電解質は、伝導塩としてＬｉＢＯＢ（リチウムビスオキサラトボレート）のいずれか、およびＰＣ（プロピレンカーボネート）、ＥＣ（エチレンカーボネート）およびそれらの混合物から選択される少なくとも１つの溶媒を含む。この電解質には、ＨＦを形成しやすいＬｉＰＦ６は含まれていない。これによりユーザの安全性が向上する。溶剤は沸点が高く、リチウムイオン電池の作動安全性を著しく高める。さらに、この電解質は、電池の電極、特にアノード側に通常存在するグラファイトと非常によく適合するため、リチウムイオン電池の耐用寿命が延びる。ＬｉＢＯＢは高い熱安定性も特徴であり、リチウムイオン電池の寿命にも有益である。
代替として、電解質は、伝導塩としてＬｉＦＳＩ（リチウムビス（フルオロスルホニル）イミダート）および／またはＬｉＤＦＯＢ（リチウムジフルオロキサレートボラート）を含み、溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣ（ジメチルカーボネート）を含む。いくつかのグリコールエーテルも使用できる。ＤＭＣとの併用することもできる。この電解質には、ＨＦを形成しやすいＬｉＰＦ６が含まれておらず、リチウムイオン電池のユーザの安全性が向上する。加えて、使用する電導塩は非常に安定である。グリコールエーテルとＤＭＣは通常沸点が高いので、この観点からリチウムイオン電池の耐用年数と安全性も向上する。
さらに別の代替として、電解質は、伝導塩としてＬｉＦＳＩ（リチウムビス（フルオロスルホニル）イミダート）および／またはＬｉＴＦＳＩ（リチウムビス（トリフルオロメタン）スルホイミダート）および／またはＬｉＤＦＯＢ（リチウムジフルオロキサラトボラート）および／またはＬｉＴＤＩ（リチウム４，５－ジシアノ－２－（トリフルオロメチル）イミダゾール）、および溶媒として：イミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物、から選択される少なくともの化合物を含む。これは、１つ以上のイミダゾリウム化合物、１つ以上のピロリジニウム化合物、または１つ以上のピペリジニウム化合物、またはこれらの化合物の任意の組合せの両方が溶媒として使用できることを意味する。
上記の溶媒は低い蒸気圧を特徴とし、約２００℃まで不燃性で、引火点が高い。このように、この電解質の使用は、使用者の安全とリチウムイオン電池の耐用年数を著しく増加させる。この電解質には、ＨＦを形成しやすいＬｉＰＦ６も含まれておらず、リチウムイオン電池のユーザの安全性がさらに向上する。加えて、電導塩は高い熱安定性を特徴とし、リチウムイオン電池の熱安定性にも有益である。
本発明による方法は、このように、リチウムイオン電池を、高レベルのユーザ安全性、良好な熱安定性、ひいては高いパワー密度と電圧レベルを有する電池の非常に良好な寿命で作動させることを可能にする。リチウムイオン電池の作動を５～９０℃の温度範囲で設計することにより、冷却の必要もなくなり、工程が大幅に簡略化される。さらに、これにより、リチウムイオン電池の材料およびデザインにおけるさらなる設計オプションが可能となる。
サブクレームには、本発明の有利なデザイン及び実施形態が含まれる。
有利な実施形態によれば、電解質が伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、ならびに溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを含む場合、伝導塩の総濃度は３Ｍ～１０Ｍ、好ましくは４Ｍ～７Ｍである。これにより、リチウムイオン電池のパワー密度が向上し、非常に良好な長期安定性が得られる。
熱ストレス下での非常に良好な安定性および高い利用性のために、グリコールエーテルは、好ましくは、１，１－ジメトキシエタン、１，２－ジメトキシエタン、ビス（２－メトキシエチル）エーテルおよびそれらの混合物から選択される。
温度安定性をさらに改善するために、イミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物はフッ化アニオンを有する。
ピロリジニウム化合物、１‐プロピル‐１‐メチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミドは、蒸気圧が低く、引火点が高く、引火性が低いため、特に有利である。
使用者の安全性は、電解質がフッ素化伝導塩、特にＬｉＰＦ６を含まない利点によって、さらに改善することができる。
長期安定性を増加させる理由から、電解質が少なくとも１つの腐食保護添加剤、特に少なくとも１つのフッ素含有抗腐食保護添加剤をさらに含む場合には、リチウムイオン電池が作動する前に添加することが有利である。当業者は、市販の腐食保護添加剤から適切な腐食保護添加剤を選択することができる。アルミニウムの腐食保護添加剤として、特にＬｉＰＦ６は、電解質の総質量に基づいて、最大３質量％の少量、すなわち使用することができる。リチウムイオン電池が始まると、ＬｉＰＦ６はハウジングや集電器（電流コレクター）のようなアルミニウムを含む表面の腐食保護層の形成のために完全に消費され、したがって、もはや電解質の一部ではなくなる。
工程をさらに簡素化するために、加熱装置は内部セル加熱装置である。これは、例えば、いわゆるゼリーロールまたは電極スタックの間に、加熱装置がセル内部に直接配置され、その結果、熱の供給が高い効率で著しく促進されることを意味する。あるいは、加熱装置は、セル－内部加熱と同様に、セル自体からの加熱エネルギーを伴って、セルハウジングの外側に配置することもできる。加熱装置は、例えば、加熱マットの形態で設計することができる。
本発明のリチウム電池の別の形態は、リチウム蓄電池として特に設計され、少なくとも１つのリチウムイオンセルおよび加熱装置を含み、特に、セル内部加熱装置の形態で、加熱装置がリチウムイオン電池を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、
前記リチウムイオンセルがアノード、カソード、セパレータ、集電器及び電解質を有し、ここで電解質が伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣを含むか、または、伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを含むか、または、伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩ、および溶媒としてイミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択される少なくとも１つの化合物を含む。本発明のリチウム電池は、特に加熱装置を利用することにより、５～９０℃、特に１０～８０℃の温度範囲で作動させる。本発明の電解質を加熱装置と組み合わせることにより、当該電池は、使用者の安全性が高く、長寿命、高出力密度であり、設計および材料の面で自由度が高い。
利点、有利な効果及び説明に関しては、リチウムイオン電池を作動させるための本発明に従った方法に関連する記載を追加して言及する。さらに、本発明による方法は、本発明によるリチウムイオン電池によって使用するのに適しているか、または本発明によるリチウムイオン電池が本発明による方法を実施するのに適していると述べる。このように、利点、有利な効果および開発が相互に適用される。
本発明によるさらなる形態として、前記に開示されたリチウムイオン電池を含む自動車も開示される。自動車は一貫して高い性能と安全な使用が特徴である。提供される加熱装置のため、リチウムイオン電池を冷却する必要はなく、自動車の緻密性を損なう可能性のある冷却回路を用意する必要がない。
本発明のさらなる詳細、特徴および利点は、以下の記載および図に示される。
図１は本発明の実施形態によるリチウムイオン電池の模式図を示す。
本発明の必須の特徴のみを図に示す。他の特徴はすべて、明瞭化のために省略する。
詳細には、図１は、リチウムイオン電池１を示し、これは、特にリチウム蓄電池として設計され、リチウムイオンセルおよび加熱装置２を含む。加熱装置２は、内部セル加熱装置の形態で設計されている。リチウムイオン電池がいくつかの、特にスタックされた（積み重ねられた）リチウムイオンセルから成り得ることは言うまでもない。
リチウムイオンセルは、アノード４、カソード５、セパレータ６、集電器７および電解質３を含む。アノード４およびカソード５は通常のように設計されており、通常炭素支持材料を含む。電解質３は、アノード４、カソード５、およびセパレータ６、可能であればセパレータ７に存在し、伝導塩としてＬｉＢＯＢを含み、ＰＣおよびＥＣから選択される少なくとも１つの溶媒を含み、ＰＣおよびＥＣの混合物も使用することができる。代替として、電解質３は、ＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢを伝導塩として、少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを溶媒として含むことができ、またはＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩを伝導塩として、および溶媒として：イミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択した少なくとも１つの化合物を含むことができる。本発明のリチウムイオン電池１は、通常、ハウジングに配置され、５～９０℃の範囲、特に１０～８０℃において、特に加熱装置２を用いることによって作動される。
リチウムイオン電池１と特別に設計された電解質３の意図された使用のために、高レベルの使用者の安全、長い耐用期間および設計と材料の観点からの高い自由度を、高出力密度で達成することができる。リチウムイオン電池１は、コンパクトな構造、非常に良好な熱安定性、高レベルのユーザ安全および非常に良好なパワー密度を有する高い耐久性のため、自動車での使用に特に適している。
参照記号の一覧：
１ リチウムイオン電池
２ 加熱装置
３ 電解質
４ アノード
５ カソード
６ セパレータ
７ 集電器（電流コレクター）
参照記号の一覧：
１ リチウムイオン電池
２ 加熱装置
３ 電解質
４ アノード
５ カソード
６ セパレータ
７ 集電器（電流コレクター）
また、本発明は以下の項目を含む。
［項目１］
少なくとも１つのリチウムイオンセル及び加熱装置（２）を含むリチウムイオン電池を作動する方法であって、
加熱装置（２）がリチウムイオン電池（１）を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、
リチウムイオンセルがアノード（４）、カソード（５）、セパレータ（６）、集電器（７）及び電解質（３）を有し、
当該方法は５～９０℃の温度範囲でリチウムイオン電池（１）を作動する工程を含み、
ここで電解質（３）が：
ａ）伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣ、または、
ｂ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣ、または、
ｃ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩ、および溶媒としてイミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択される少なくとも１つの化合物
を含む、前記方法。
［項目２］
電解質（３）が、伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを含む場合、伝導塩の総濃度が３Ｍ～１０Ｍ、好ましくは４Ｍ～７Ｍである、項目１に記載の方法。
［項目３］
グリコールエーテルが、１，１－ジメトキシエタン、１，２－ジメトキシエタン、ビス（２－メトキシエチル）エーテルおよびそれらの混合物から選択される、項目１または２に記載の方法。
［項目４］
イミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物がフッ化アニオンを有する、項目１記載の方法。
［項目５］
ピロリジニウム化合物が、１－プロピル－１－メチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミドである、項目１または４に記載の方法。
［項目６］
電解質（３）がフッ素化伝導塩を含まない、項目１～５のいずれか一つに記載の方法。
［項目７］
前記電解質（３）が、リチウムイオン電池（１）が作動する前に、さらに少なくとも１つのフッ素含有腐食保護添加剤を含む、項目１～６のいずれか一つに記載の方法。
［項目８］
加熱装置（２）が内部セル加熱装置である、項目１～７のいずれか一つに記載の方法。
［項目９］
少なくとも１つのリチウムイオンセル（１）および加熱装置（２）を含むリチウムイオン電池であって、
加熱装置（２）がリチウムイオン電池（１）を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、
リチウムイオンセルがアノード（４）、カソード（５）、セパレータ（６）、集電器（７）及び電解質（３）を有し、
ここで電解質（３）が：
ａ）伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣ、または、
ｂ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣ、または、
ｃ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩ、および溶媒としてイミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択される少なくとも１つの化合物
を含む、前記リチウムイオン電池。
［項目１０］
項目９に記載のリチウムイオン電池（１）を含む自動車。

Claims (10)

  1. 少なくとも１つのリチウムイオンセル及び加熱装置（２）を含むリチウムイオン電池を作動する方法であって、
    加熱装置（２）がリチウムイオン電池（１）を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、
    リチウムイオンセルがアノード（４）、カソード（５）、セパレータ（６）、集電器（７）及び電解質（３）を有し、
    当該方法は５～９０℃の温度範囲でリチウムイオン電池（１）を作動する工程を含み、
    ここで電解質（３）が：
    ａ）伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣ、または、
    ｂ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣ、または、
    ｃ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩ、および溶媒としてイミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択される少なくとも１つの化合物
    を含む、前記方法。
  2. 電解質（３）が、伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣを含む場合、伝導塩の総濃度が３Ｍ～１０Ｍ、好ましくは４Ｍ～７Ｍである、請求項１に記載の方法。
  3. グリコールエーテルが、１，１－ジメトキシエタン、１，２－ジメトキシエタン、ビス（２－メトキシエチル）エーテルおよびそれらの混合物から選択される、請求項１または２に記載の方法。
  4. イミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物がフッ化アニオンを有する、請求項１記載の方法。
  5. ピロリジニウム化合物が、１－プロピル－１－メチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミドである、請求項１または４に記載の方法。
  6. 電解質（３）がフッ素化伝導塩を含まない、請求項１～５のいずれか一つに記載の方法。
  7. 前記電解質（３）が、リチウムイオン電池（１）が作動する前に、さらに少なくとも１つのフッ素含有腐食保護添加剤を含む、請求項１～６のいずれか一つに記載の方法。
  8. 加熱装置（２）が内部セル加熱装置である、請求項１～７のいずれか一つに記載の方法。
  9. 少なくとも１つのリチウムイオンセル（１）および加熱装置（２）を含むリチウムイオン電池であって、
    加熱装置（２）がリチウムイオン電池（１）を５～９０℃の温度範囲で作動するように設定され、
    リチウムイオンセルがアノード（４）、カソード（５）、セパレータ（６）、集電器（７）及び電解質（３）を有し、
    ここで電解質（３）が：
    ａ）伝導塩としてのＬｉＢＯＢ、および以下から選択される少なくとも１つ：溶媒としてのＰＣおよびＥＣ、または、
    ｂ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢ、および溶媒として少なくとも１つのグリコールエーテルおよび／またはＤＭＣ、または、
    ｃ）伝導塩としてＬｉＦＳＩおよび／またはＬｉＴＦＳＩおよび／またはＬｉＤＦＯＢおよび／またはＬｉＴＤＩ、および溶媒としてイミダゾリウム化合物、ピロリジニウム化合物およびピペリジニウム化合物から選択される少なくとも１つの化合物
    を含む、前記リチウムイオン電池。
  10. 請求項９に記載のリチウムイオン電池（１）を含む自動車。
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