WO2004036682A2 - Verwendung von polyfluorpolyethern als flammschutzmittel für batterien - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a new use for polyfluoropolyethers and their mixtures, and mixtures which contain one or more polyfluoropolyethers as flame-retardant solvents for electrolytes in rechargeable batteries.
  • Alkyl acetates, substituted acetamides, sulfoxides, nitriles, glycol ethers and ethers are also suitable (EP-A 0 385 724).
  • Rechargeable lithium batteries must meet a high level of safety, since critical operating conditions such as overcharging, over-discharging or short-circuiting, which can lead to the cell opening under fire, must be avoided.
  • Suitable low-viscosity compounds are e.g. B. 1, 2-dimethoxyethane or linear alkyl carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate.
  • the object of the present invention is to provide a solvent mixture for conductive salts, with which the safety of the electrolyte solutions and the batteries filled with them is increased.
  • polyfluorinated polyethers of the formula I are used.
  • the invention thus relates to an electrolyte system for increasing the safety of rechargeable batteries, in particular lithium batteries, which contains compounds of the formula I in an effective amount of 1 to 80% by volume, preferably 20 to 60% by volume, in particular 40 to 60% by volume .-%, based on the total volume of the electrolyte system contains.
  • Compounds of the formula I in which X is H or F, m and n are a number from 0 to 3 are preferred.
  • polyfluoropolyethers of the formula I mentioned can be used as a single substance in combination with other solvents or as a mixture of ethers in combination with other solvents for the preparation of the electrolyte solutions.
  • Lithium salts are preferably used as conductive salts.
  • the conductive salts are usually present in the solvent in a concentration of at least 0.5 mol / l. Lead salt concentrations of about 1 mol / l are aimed for. The saturation concentration indicates the upper limit of the conductive salt concentration.

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Abstract

Verwendung von Polyfluorpolyethern der allgemeinen Formel (I) X-CF2O(CF2O)m-(CF2CF2O)n-CF2X, worin X = H, F, C1 bis C5-alkyl oder teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl oder COOR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl oder OR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl, m und n eine Zahl von 0 bis 5 bedeuten und deren Gemischen, als Flammschutzmittel in Lösungsmittelgemischen für Leitsalze in Elektrolytsysteme für wiederaufladbare Batterien.

Description

Verwendung von Poiyfluorpolyethem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine neue Verwendung für Polyfluorpolyether und deren Gemische, sowie Gemische die ein oder mehrere Polyfluorpolyether enthalten, als schwerentflammbare Lösungsmittel für Elektrolyte in wiederaufladbaren Batterien.
Es ist bekannt, daß man organische Lösungsmittel mit stark polarisierenden Heteroatomen, z. B. Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel, zur Herstellung aprotischer Elektrolytlösungen verwendet. Häufig werden Alkylcarbonate oder Alkylencarbonate (EP-A 0 643 433) oder Pyrocarbonate (US-A 5,427,874) eingesetzt.
Alkylacetate, substituierte Acetamide, Sulfoxide, Nitrile, Glykolether und Ether sind ebenfalls geeignet (EP-A 0 385 724).
Als Kriterium der Anwendbarkeit als geeignete Lösungsmittel sind ein hoher Flammpunkt und hohe Explosionsgrenzen zu nennen.
Wiederaufladbare Lithiumbatterien müssen einem hohen Sicherheitsstand genügen, da kritische Betriebszustände wie Überladen, Überentladen oder Kurzschluß, die durchaus zur Öffnung der Zelle unter Feuererscheinung führen können, vermieden werden müssen.
Wenig entflammbar beziehungsweise wenig zur Bildung explosiver Gemische neigend sind schwerflüchtige, allerdings leider auch hochviskose Lösungsmittel wie Pro- pylencarbonat oder Ethylencarbonat.
Aufgrund der hohen Viskosität ist die elektrische Leitfähigkeit der mit diesen Lösungsmitteln hergestellten Elektrolytlösungen z. B. bei tieferen Temperaturen gering. Außerdem sind in solchen Lösungen sowohl die lonenwanderung als auch andere Stofftransportvorgänge verlangsamt. Zum Erzielen höherer Leitfähigkeiten verwendet man daher Lösungsmittelgemische, die eine niedrigviskose Komponente als "Verdünner" aufweisen. Geeignete niedrigviskose Verbindungen sind z. B. 1 ,2-Dimethoxyethan oder lineare Alkylcarbonate wie Dimethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat und Diethylcarbonat.
Nachteil dieser Verbindungen sind jedoch die kleinen Dielektrizitätskonstanten sowie deren Flüchtigkeit und dem damit verbundenen Zünd- und Explosionsverhalten.
Zur Erhöhung der Sicherheit der Batterien wird daher der Zusatz von flammhemmenden phosphor- oder halogenhaltigen Additiven empfohlen. So wurden fluorierte Ether und Perfluoralkane für das Elektrolytsystem von Lithiumbatterien vorgeschlagen (EP 0 807 986, EP 0 631 339, JP-A 7-249432). Derartige Verbindungen sind zwar thermisch und chemisch stabil, sie sind jedoch nicht gut mit batterieüblichen Lösungsmitteln mischbar oder haben ein schlechtes Lösevermögen für die üblichen Lithiumleitsalze.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lösungsmittelgemisch für Leitsalze zur Verfügung zu stellen, mit dem die Sicherheit der Elektrolytlösungen und der damit gefüllten Batterien erhöht wird.
Erfindungsgemäß verwendet man polyfluorierte Polyether der Formel I
X-CF2O(CF2O)m-(CF2CF2O)n-CF2X (I),
worin
X H, F, C1 bis C5-alkyl oder teil- oder perfluoriertes C1-C5-alky! oder
COOR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl oder
OR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl m - eine Zahl von 0 bis 5 n eine Zahl von 0 bis 5
ist oder deren Gemische, als eine Mischungskomponente in Elektrolytlösungen. Die Difluormethylen- und die Tetrafluorethylengruppierungen können zufällig oder alternierend angeordnet oder verteilt sein.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Elektrolytsystem zur Erhöhung der Sicherheit von wiederaufladbaren Batterien, insbesondere Lithiumbatterien, das Verbindungen der Formel I in einer wirksamen Menge von 1 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere 40 bis 60 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Elektrolytsystems enthält. Hierbei sind Verbindungen der Formel I, in der X gleich H oder F, m und n eine Zahl von 0 bis 3 bedeuten, bevorzugt.
Es wurde festgestellt, daß die Verbindungen der Formel I in den Elektrolytlösungen insbesondere als Flammschutzmittel wirken.
Die genannten Polyfluorpolyether der Formel I können als Einzelsubstanz in Kombination mit anderen Lösungsmitteln oder als Gemisch von Ethern in Kombination mit anderen Lösungsmitteln für die Herstellung der Elektrolytlösungen eingesetzt werden.
Aufgrund ihrer niedrigen Viskosität lassen sie sich auch als "Verdünner" für die hochviskosen polaren Komponenten verwenden.
Es wurde weiterhin gefunden, daß die genannten Polyfluorpolyether mit den für Elektrolytlösungen üblichen Lösungsmitteln gut mischbar sind.
Es wurde gefunden, daß Elektrolytlösungen, die sowohl stark polare Komponenten, z. B. Ethylencarbonat, Propylencarbonat, niedrigviskose Solventien, z. B. Dimethyl- carbonat und Leitsalz enthalten, durch Zusatz der Verbindung gemäß Formel I dem Sicherheitsstandard für wiederaufladbare Batterien Rechnung tragen.
Als Leitsalze werden bevorzugt Lithium-Salze verwendet. Gut brauchbar sind beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluoroarsenat, Lithium-bisoxalato-borat sowie Lithiumsalze von Sulfonylimiden, beispielsweise das Lithiumsalz des Bis-(trifluormethansulfonyl)imids und von Sulfonylmethiden, beispielsweise das Lithiumsalz des Tris-(trifluormethansulfonyl)methids. Üblicherweise liegen die Leitsalze in einer Konzentration von mindestens 0,5 mol/l im Lösungsmittel vor. Leitsalzkonzentrationen von etwa 1 mol/l werden angestrebt. Die Sättigungskonzentration gibt die obere Grenze der Leitsalzkonzentration an.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern jedoch nicht einschränken.
Beispiele
Beispiel 1 :
Zur Herstellung eines Lösungsmittelgemisches wurden 40 ml Dimethylcarbonat und 60 ml einer Mischung aus HF2COCF2CF2OCF2H, HF2COCF2OCF2CF2OCF2H und HF2CO(CF2CF2O)2CF2H vermischt. Das entstandene Lösungsmittelgemisch war einphasig.
Beispiel 2:
Zur Herstellung eines weiteren Lösungsmittelgemisches wurden 30 ml Dimethylcarbonat, 10 g Ethylencarbonat und 60 ml einer Mischung aus HF2COCF2CF2OCF2H, HF2COCF2OCF2CF2OCF2H und HF2CO(CF2CF2O)2CF2H vermischt. Das entstandene Lösungsmittelgemisch war einphasig.
Beispiel 3:
Zur Herstellung eines Elektrolyten wurden 30 ml Dimethylcarbonat, 10 g Ethylencarbonat und 60 ml einer Mischung aus HF2COCF2CF2OCF2H, HF2COCF2OCF2CF2OCF2H und HF2CO(CF2CF2O)2CF2H vermischt. In diesem Lösungsmittelgemisch wurden 7,6 g Lithiumhexafluorphosphat vollständig gelöst.
Beispiel 4:
Zur Herstellung eines Elektrolyten wurden 30 ml Dimethylcarbonat, 10 g Ethylencarbonat und 60 ml einer Mischung aus HF2COCF2CF2OCF2H, HF2COCF2OCF2CF2OCF2H und HF2CO(CF2CF2O)2CF2H vermischt. In diesem Lösungsmittelgemisch wurden 14,3 g Lithium N,N-bis-(trifluormethylsulfonyl)-imid vollständig gelöst.
Beispiel 5:
Es wurde versucht, die in den Beispiele 1 , 2, 3 und 4 beschriebenen Lösungsmittelgemische und Elektrolyte mit offener Flamme zu entzünden. Die beschriebenen Lösungsmittelgemische und Elektrolyte erwiesen sich als nicht entflammbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung von Polyfluorpolyethern der Formel (I)
X-CF2O(CF2O)m-(CF2CF2O)n-CF2X (I),
worin
X H, F. C1- bis C5-alkyl oder teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl oder
COOR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl oder
OR mit R gleich C1 bis C5-alkyl, teil- oder perfluoriertes C1 bis C5-alkyl m eine Zahl von 0 bis 5 n eine Zahl von 0 bis 5 bedeuten oder deren Gemische, als Flammschutzmittel in Lösungsmittelgemischen für
Leitsalze in Elektrolytsysteme für wiederaufladbare Batterien.
2. Verwendung nach Anspruch 1 von Ethern der allgemeinen Formel i
X-CF2O(CF2O)m-(CF2CF2O)n-CF2X (I),
worin
X H oder F und m eine Zahl von 0 bis 3 n eine Zahl von 0 bis 3 bedeuten oder deren Gemische als Flammschutzmittel in Lösungsmittelgemischen für
Leitsalze.
3. Verwendung von Ethern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ether der Formel I in Mengen von 1 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis
60 Gew.-%, insbesondere 40 bis 60 Gew.-% bezogen auf das Gesamtvolumen des Elektrolytsystems, im Lösungsmittelgemisch enthalten sind.
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