CA3054396A1 - Composition d'electrolyte et son utilisation dans des batteries lithium-ion - Google Patents
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Abstract
Des compositions d'électrolyte comprenant l'hexafluorophosphate de lithium, le 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium, un solvant, et au moins un additif électrolytique sont ici décrites. La présente demande décrit aussi l'utilisation de ces compositions d'électrolytes dans des batteries, par exemple, dans une gamme de température supérieure ou égale à 25°C.
Description
COMPOSITION D'ÉLECTROLYTE ET SON UTILISATION DANS DES
BATTERIES LITHIUM-ION
DEMANDES RELIÉES
La présente demande revendique la priorité, sous la loi applicable, de la demande de brevet canadienne no 2 960 489 déposée le 10 mars 2017 et de la demande de brevet française no 17 51971 déposée également le 10 mars 2017, le contenu desquelles est incorporé ici par référence dans son intégralité et à toutes fins.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se réfère au domaine des batteries, plus particulièrement ici au domaine des compositions d'électrolytes comprenant des ions lithium.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Une batterie lithium-ion comprend au moins une électrode négative (anode), une électrode positive (cathode), un séparateur et un électrolyte. L'électrolyte est généralement constitué d'un sel de lithium dissous dans un solvant qui est généralement un mélange de carbonates organiques, afin d'avoir un bon compromis entre la viscosité et la constante diélectrique. Des additifs peuvent être ensuite ajoutés pour améliorer la stabilité des sels d'électrolyte.
Parmi les sels les plus utilisés on retrouve le LiPF6 (hexafluorophosphate de lithium), qui possède plusieurs des qualités requises, mais présente le désavantage de se dégrader pour former de l'acide fluorhydrique (HF) par réaction avec l'eau. Le HF formé peut entrainer une dissolution du matériau de cathode.
La réaction du LiPF6 avec l'eau résiduelle affecte donc la longévité de la batterie et peut engendrer des problèmes de sécurité, notamment dans le contexte de l'utilisation des batteries lithium-ion dans des véhicules de particuliers.
D'autres sels ont donc été développés, tels que le LiTFSI
(bis(trifluoromethanesulfonyl)imidure de lithium) et le LiFSI
(bis(fluorosulfonyl) imidure de lithium). Ces sels ne présentent que peu ou pas de décomposition
BATTERIES LITHIUM-ION
DEMANDES RELIÉES
La présente demande revendique la priorité, sous la loi applicable, de la demande de brevet canadienne no 2 960 489 déposée le 10 mars 2017 et de la demande de brevet française no 17 51971 déposée également le 10 mars 2017, le contenu desquelles est incorporé ici par référence dans son intégralité et à toutes fins.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente demande se réfère au domaine des batteries, plus particulièrement ici au domaine des compositions d'électrolytes comprenant des ions lithium.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Une batterie lithium-ion comprend au moins une électrode négative (anode), une électrode positive (cathode), un séparateur et un électrolyte. L'électrolyte est généralement constitué d'un sel de lithium dissous dans un solvant qui est généralement un mélange de carbonates organiques, afin d'avoir un bon compromis entre la viscosité et la constante diélectrique. Des additifs peuvent être ensuite ajoutés pour améliorer la stabilité des sels d'électrolyte.
Parmi les sels les plus utilisés on retrouve le LiPF6 (hexafluorophosphate de lithium), qui possède plusieurs des qualités requises, mais présente le désavantage de se dégrader pour former de l'acide fluorhydrique (HF) par réaction avec l'eau. Le HF formé peut entrainer une dissolution du matériau de cathode.
La réaction du LiPF6 avec l'eau résiduelle affecte donc la longévité de la batterie et peut engendrer des problèmes de sécurité, notamment dans le contexte de l'utilisation des batteries lithium-ion dans des véhicules de particuliers.
D'autres sels ont donc été développés, tels que le LiTFSI
(bis(trifluoromethanesulfonyl)imidure de lithium) et le LiFSI
(bis(fluorosulfonyl) imidure de lithium). Ces sels ne présentent que peu ou pas de décomposition
Claims (23)
1. Composition d'électrolyte comprenant l'hexafluorophosphate de lithium, le 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium, au moins un solvant, et au moins un additif électrolytique, ladite composition comprenant :
- une concentration totale en hexafluorophosphate de lithium et 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium inférieure ou égale à 1 mol/L par rapport au volume total de la composition, et - une concentration en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium inférieure ou égale à 0,3 mol/L par rapport au volume total de la composition.
- une concentration totale en hexafluorophosphate de lithium et 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium inférieure ou égale à 1 mol/L par rapport au volume total de la composition, et - une concentration en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium inférieure ou égale à 0,3 mol/L par rapport au volume total de la composition.
2. Composition selon la revendication 1, dans laquelle la teneur en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium est inférieure ou égale à 0,2 mol/L, en particulier inférieure ou égale à 0,1 mol/L, de préférence inférieure ou égale à 0,08 mol/L, préférentiellement inférieure ou égale à 0,05 mol/L, par rapport au volume total de la composition.
3. Composition selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le solvant est choisi dans le groupe constitué des éthers, des esters d'acide carbonique, des esters de carbonate cycliques, des esters d'acide carboxylique aliphatique, des esters d'acide carboxylique aromatique, des esters d'acide phosphorique, des esters de sulfite, des nitriles, des amide, des alcools, des sulfoxydes, du sulfolane, du nitrométhane, de la 1,3-diméthyl-2-imidazolidinone, de la 1,3-diméthyl-3,4,5,6-tétrahydro-2(1,H)-pyrimidinone, de la 3-méthyl-2-oxazolidinone, et de leurs mélanges.
4. Composition selon la revendication 3, dans laquelle le solvant est choisi dans le groupe constitué du carbonate de diméthyle, du carbonate d'éthyle et de méthyle, du carbonate de diéthyle, du carbonate de diphényle, du carbonate de méthyle et de phényle, du carbonate d'éthylène, du carbonate de propylène, du carbonate de butylène, du carbonate de vinylène, du formate de méthyle, de l'acétate de méthyle, du propionate de méthyle, de l'acétate d'éthyle, de l'acétate de butyle, et de leurs mélanges.
5. Composition selon la revendication 4, dans laquelle le solvant est choisi dans le groupe constitué du carbonate d'éthylène, du carbonate de diéthyle, et de leurs mélanges.
6. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'additif électrolytique est choisi dans le groupe constitué du carbonate de fluoroéthylène, carbonate de vinylène, 4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, carbonate d'allyle et d'éthyle, acétate de vinyle, adipate de divinyle, acrylonitrile, 2-vinylpyridine, anhydride maléïque, cinnamate de méthyle, phosphonates, composés silane contenant un vinyle, 2-cyanofurane et de leurs mélanges, l'additif électrolytique étant de préférence le carbonate de fluoroéthylène.
7. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la teneur en additif électrolytique est comprise entre 0,1% et 9%, de préférence entre 0,5% et 4% en masse par rapport à la masse total combinée solvant(s) + additif .
8. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle la concentration en hexafluorophosphate de lithium est supérieure ou égale à 0,80 mol/L et inférieure à 1 mol/L, de préférence comprise entre 0,80 et moins de 1 mol/L, en particulier entre 0,90 et 0,99 mol/L, et par exemple comprise entre 0,95 mol/L et 0,99 mol/L, par rapport au volume total de la composition.
9. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle la concentration en hexafluorophosphate de lithium est de 0,95 mol/L, et la concentration en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium est de 0,05 mol/L, par rapport au volume total de la composition.
10. Utilisation d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, dans une batterie Li-ion, en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à 25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C.
9, dans une batterie Li-ion, en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à 25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C.
11. Utilisation selon la revendication 10, dans des appareils nomades, par exemple les téléphones portables, les appareils photos, les tablettes ou les ordinateurs portables, dans des véhicules électriques, ou dans le stockage d'énergie renouvelable.
12. Utilisation d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, pour :
- améliorer la durée de vie d'une batterie Li-ion ; et/ou - améliorer la stabilité au cyclage d'une batterie Li-ion ; et/ou - diminuer la capacité irréversible d'une batterie Li-ion ;
en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à
25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C.
9, pour :
- améliorer la durée de vie d'une batterie Li-ion ; et/ou - améliorer la stabilité au cyclage d'une batterie Li-ion ; et/ou - diminuer la capacité irréversible d'une batterie Li-ion ;
en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à
25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C.
13. Cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive, et une composition d'électrolyte telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, interposée entre l'électrode négative et l'électrode positive.
14. Cellule électrochimique selon la revendication 13, dans laquelle l'électrode négative comprend du graphite, des fibres de carbone, du noir de carbone, du lithium, ou leurs mélanges, l'électrode négative comprenant de préférence du graphite.
15. Cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, dans laquelle l'électrode positive comprend LiCoO2, LiFePO4, LiMn x Co y Ni z (où x+y+z = 1), LiFePO4F, LiFeSO4F, LiNiCoAlO2 ou leurs mélanges, l'électrode positive comprenant de préférence LiFePO4 ou LiMn x Co y Ni z O2 (où
x+y+z = 1).
x+y+z = 1).
16. Cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, ayant une rétention de capacité supérieure ou égale à 80% après au moins 500 cycles de charge/décharge par rapport au premier cycle, pour une charge comprise entre une tension T inf comprise entre 2,0 et 3,0 volts par rapport à Li+/Li0, et une tension T sup comprise entre 3,8 et 4,2 volts par rapport à Li+/Li0, à une température égale à 25°C, et à une vitesse de charge et décharge de C.
17. Cellule électrochimique selon la revendication 16, dans laquelle la tension T inf est égale à 2,8 volts et la tension T sup est égale à 4,2 volts, l'électrode positive comprenant de préférence LiCo02, LiMnxCoyNizO2 (avec x+y+z = 1), LiFePO4F, LiFeSO4F, LiNiCoAlO2 ou leurs mélanges.
18. Cellule électrochimique selon la revendication 16, ayant une rétention de capacité supérieure ou égale à 80% après au moins 500 cycles de charge/décharge par rapport au premier cycle, pour une charge comprise entre une tension T inf comprise entre 2,0 et 3,0 volts par rapport à Li+/Li0, et une tension T sup comprise entre 3,8 et 4,2 volts par rapport à Li+/Li0, à une température égale à 25°C, et à une vitesse de charge et décharge de C, la charge étant optionnellement suivie de l'application d'une tension constante de 4V pendant 30 minutes, l'électrode positive comprenant de préférence LiFePO4.
19. Cellule électrochimique selon la revendication 18, dans laquelle la tension T inf est égale à 2 volts et la tension T sup est égale à 4 volts.
20. Cellule électrochimique selon la revendication 18 ou 19, la charge étant suivie de l'application d'une tension constante de 4V pendant 30 minutes.
21. Cellule électrochimique selon la revendication 18 ou 19, la charge n'étant pas suivie de l'application d'une tension constante de 4V pendant 30 minutes et la rétention de capacité étant supérieure ou égale à 80% après au moins 800 cycles.
22. Batterie comprenant au moins une cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendications 13 à 21.
23. Utilisation du 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium dans une composition d'électrolyte comprenant l'hexafluorophosphate de lithium et au moins un additif électrolytique, pour :
- améliorer la durée de vie d'une batterie Li-ion ; et/ou - améliorer la stabilité au cyclage d'une batterie Li-ion ; et/ou - diminuer la capacité irréversible d'une batterie Li-ion ;
en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à
25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C;
la composition étant telle que :
- la concentration totale en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium et hexafluorophosphate de lithium est inférieure ou égale à 1 mol/L par rapport au volume total de la composition ; et - la concentration en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium est inférieure ou égale à 0,3 mol/L, préférentiellement inférieure ou égale à 0,05 mol/L, par rapport au volume total de la composition.
- améliorer la durée de vie d'une batterie Li-ion ; et/ou - améliorer la stabilité au cyclage d'une batterie Li-ion ; et/ou - diminuer la capacité irréversible d'une batterie Li-ion ;
en particulier dans une gamme de température supérieure ou égale à
25°C, de préférence comprise entre 25°C et 65°C, avantageusement entre 40°C et 60°C;
la composition étant telle que :
- la concentration totale en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium et hexafluorophosphate de lithium est inférieure ou égale à 1 mol/L par rapport au volume total de la composition ; et - la concentration en 4,5-dicyano-2-(trifluorométhyl)imidazolate de lithium est inférieure ou égale à 0,3 mol/L, préférentiellement inférieure ou égale à 0,05 mol/L, par rapport au volume total de la composition.
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|---|---|---|---|
| FR17/51971 | 2017-03-10 | ||
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