CN108292727A - Sic-隔膜和sic-电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于锂电池(1)的隔膜和/或保护层(4)。为了实现电池(1)的快速充电并延长电池(1)的使用寿命，该隔膜和/或保护层(4)包含共聚物和/或聚合物混合物，其中所述共聚物包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和至少一种起机械稳定作用的重复单元，和/或其中所述聚合物混合物包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和至少一种起机械稳定作用的聚合物。此外本发明涉及电池以及基于锂离子迁移数> 0.7的聚合物的共聚物、聚合物混合物和聚合物电解质。

Description

SIC-隔膜和SIC-电池
本发明涉及用于锂电池的隔膜和/或保护层和这种电池以及为此的共聚物、聚合物混合物和聚合物电解质。
现有技术
锂电池组电池包括阴极、阳极和隔膜。所述阴极和阳极在此特别地可通过用于导出和导入电流的集流体通过外部电路相互导电连接。在所述电池中，特别是在阴极和阳极之间通过至少一种电解质接通（geschlossen）电路。
通常使用由其中溶解有导电盐的液体溶剂制成的液体电解质。
代替液体电解质，某些电池组电池具有基于包含其中溶解的导电盐的聚合物的聚合物电解质。为了提高导电性，向该聚合物电解质混入液体溶剂，由此可以形成聚合物-凝胶-电解质。
特别是在使用液体电解质或聚合物-凝胶-电解质和/或不够机械稳定的聚合物电解质时，由金属锂制成的阳极倾向于形成树突。
印刷文献EP 1098382涉及用于电化学装置的聚电解质-凝胶。
印刷文献 US 2006/0177732涉及电池组电极和制造具有玻璃状增强保护层的碱金属电极的方法。
发明公开内容
本发明的主题是用于锂电池，例如用于锂离子电池或锂硫电池，特别是固体电池形式的那些电池的隔膜和/或保护层，其包含共聚物和/或聚合物混合物（共混物）。
特别地，该共聚物在此包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和至少一种起机械稳定作用的重复单元，和/或该聚合物混合物在此包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和至少一种起机械稳定作用的聚合物。
在此，所述隔膜和/或保护层例如可以是（简单）隔膜或具有用于阳极或阴极的特别是针对树突生长的，例如用于锂金属-阳极的保护层功能的隔膜，或是用于阳极或阴极的，特别是针对树突生长的，例如用于锂金属-阳极的保护层。
所述起机械稳定作用的重复单元可以特别地被理解为是指包含刚性基团，特别是芳族基团的重复单元。例如，所述起机械稳定作用的重复单元可以包含芳族基团。例如，所述起机械稳定作用的重复单元可以是基于苯乙烯和/或亚苯基的单元。该至少一种起机械稳定作用的重复单元可以特别地被设计用于形成起机械稳定作用的聚合物。
所述起机械稳定作用的聚合物可以特别地被理解为是指包含刚性基团，特别是芳族基团的聚合物。例如，所述起机械稳定作用的聚合物可以是具有芳族基团的聚合物。例如，所述起机械稳定作用的聚合物可以是基于苯乙烯和/或亚苯基的聚合物，例如聚苯乙烯和/或聚亚苯基。
通过所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以有利地至少最小化或避免极端浓度梯度，其在经较长时间段使用高电流密度时在通常仅具有≤ 0.5的迁移数的传统液体电解质，例如导电盐双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）在碳酸亚乙酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）和/或碳酸二乙酯（DEC）的混合物中的溶液的情况下，和在通常仅具有约0.25的迁移数的传统聚合物电解质，例如聚环氧乙烷（PEO）和导电盐双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）的混合物的情况下出现并可能导致高的过压，其可能限制可达到的电流密度。通过所述极端浓度梯度的最小化或避免，可以一方面特别地避免区域缺乏导电盐，这可能导致严重减小电化学动力学，并因此可能导致动力学过压的提高以及不希望的电化学副反应的优先和任选甚至可能导致电池损坏。另一方面，可以因此特别地避免在极高盐浓度的区域中沉淀导电盐，这可能导致孔隙的堵塞和任选甚至可能导致局部电导率降低多个数量级。
因此，可以有利地在充电和放电方向上甚至经长时间或大Δ-SOC-范围，特别是对于例如3C或更高的恒定高电流负载而言维持高的电流密度，并特别地还实现快速的电池充电。
通过所述至少一种起机械稳定作用的重复单元或至少一种起机械稳定作用的聚合物，可以此外实现特别是隔膜和/或保护层的高的抗锂树突性，这可以有利地作用于配备其且例如具有锂金属-阳极的电池的使用寿命。
除了提高机械稳定性外，特别是在共聚物中的起机械稳定作用的单元或聚合物，特别是基于苯乙烯的单元或聚合物可以任选有利地相比于纯单离子传导性聚合物-均聚物而言改进嵌段共聚物的溶解度。因此可以简化较薄薄膜在阴极和/或阳极上的制造和使用。
总体上，因此可以通过使用所述共聚物和/或聚合物混合物或基于其的隔膜和/或基于其的保护层而以简单的方式提供锂电池，特别是基于固体电解质的锂电池，该锂电池可以快速地充电和放电以及具有高的使用寿命，特别是还可以用于电动车中。
在一个实施方案中，所述至少一种起机械稳定作用的重复单元包含或是至少一种基于苯乙烯的重复单元，和/或所述至少一种起机械稳定作用的聚合物包含或是至少一种基于苯乙烯的聚合物。
基于苯乙烯的重复单元可以例如是苯乙烯和/或苯乙烯-衍生物，例如可通过苯乙烯的单或多重取代和/或官能化而衍生的那些。
基于苯乙烯的聚合物可以特别地被理解为是指可通过苯乙烯和/或苯乙烯-衍生物，例如可通过苯乙烯的单或多重取代而衍生的那些的聚合而获得的聚合物。
例如，所述至少一种基于苯乙烯的重复单元和/或至少一种基于苯乙烯的聚合物可以通过苯乙烯和/或邻-甲基苯乙烯和/或对-甲基苯乙烯和/或间-叔丁氧基苯乙烯和/或2,4-二甲基苯乙烯和/或间-氯苯乙烯和/或对-氯苯乙烯和/或4-羧基苯乙烯和/或乙烯基苯甲醚和/或乙烯基苯甲酸和/或乙烯基苯胺和/或乙烯基萘的聚合而获得。
所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以特别地具有锂离子迁移数> 0.8。
例如，所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8的聚合物的重复单元可以包含或是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元和/或基于全氟醚的单元。由这种单元形成的聚合物可以有利地具有迁移数> 0.8。
替代地或额外地，所述至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8的聚合物可以包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质和/或基于全氟聚醚的聚合物。这种聚合物可以有利地具有迁移数> 0.8。
特别地，所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以具有锂离子迁移数> 0.9。
单离子传导性聚电解质可以有利地具有锂离子迁移数> 0.9，其特别地甚至可以接近1。
因此，在另一个实施方案的范围中，所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物的重复单元被设计用于形成单离子传导性聚电解质，和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质。
单离子传导性聚电解质（SIC，英语: Single Ion Conductor）可以特别地被理解为是指电解质，特别是聚合物或聚合物电解质，其中阴离子牢固地，特别是共价地与聚合物主链键合，和/或特别是直接地整合到聚合物主链或聚合物骨架中，并因此只有相应阳离子，特别是锂离子是活动/移动的。因此，在此只有也参与电化学电极反应的离子种类，即锂离子是活动的。
单离子传导性聚电解质的特征在于对于锂离子（Li+）的迁移数接近1。因此，可以通过单离子传导性聚电解质避免极端浓度坡度和实现特别高的电流密度。
特别地，所述共聚物可以包含至少一种用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元和至少一种基于苯乙烯的重复单元，和/或所述聚合物混合物可以包含至少一种单离子传导性聚电解质和至少一种基于苯乙烯的聚合物。
用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元可以例如包含牢固地，特别是共价地与聚合物主链结合，例如键合或整合到其中的带负电基团Q-或阴离子和活动的带正电反荷离子，特别是锂离子。
单离子传导性聚电解质可以特别地包含牢固地，特别是共价地与形成聚合物主链的单元结合，例如键合或整合到其中的带负电基团Q-或阴离子和活动的带正电反荷离子，特别是锂离子。
在另一个实施方案的范围中，所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物的重复单元或至少一种用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元包含或是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元，和/或所述至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
下面阐述这种单元或聚合物的某些实施例，其可以具有迁移数> 0.8。
基于硼酸盐的单离子传导性聚电解质可以例如以阴离子硼酸根网络（硼酸根阴离子网络）的形式形成。该阴离子硼酸根网络可以在此通过硼酸根阴离子形成，其通过至少一种连接件，例如酒石酸结合。具有下列化学通式的这种基于硼酸盐的聚电解质的实例
描述于Solid State Ionics 262, 2014, 第747-753页中。
但是，基于硼酸盐的聚电解质还可以例如以具有特别是共价地与该聚合物的聚合物主链键合的硼酸根基团的聚合物的形式形成。由下列化学通式的单体形成的这种基于硼酸盐的聚电解质的实例
描述在Polym. Chem., 2015, 6, 第1052页中。但是，聚电解质大多以具有液体组分的凝胶形式才实现足够的导电性。
在一个特别的实施方式的范围中，所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物的重复单元包含或是下列化学通式的基于硼酸盐的单元：
其中至少一个X，特别是至少两个X，例如三个X或四个X是
，其中2 ≤ n ≤ 10，特别是3 ≤ n ≤ 10，
其中剩余 X分别彼此独立地是
或或R’，其中2 ≤ m ≤ 10，特别是3 ≤ m ≤ 10，且其中R’是氢或氟。通过至少两个双键，可以因此有利地形成网络并以此方式改进机械稳定性和因此改进抗锂树突性。通过连接件的延长和/或其它环氧乙烷基团的引入，可以因此有利地甚至在不添加液体组分的情况下改进锂离子电导性。
基于磺酸的聚电解质的实例是例如下列化学通式的Li-Nafion：
和/或可比拟的基于磺酸的聚合物，如在Zhibin Zhou等人, Electrochimica Acta,93, 2013, 第254-263页中描述的下列化学通式的基于磺酸的聚电解质：
。
基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质可以例如基于聚(全氟烷基磺酰基)亚胺。下列化学通式的基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质
描述在J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15952中。基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质也可以例如基于(4-苯乙烯磺酰基)(三氟甲磺酰基亚胺)-单体。对此的实例是下列化学通式的均聚物或共聚物：
和/或。
基于锂化丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯的聚电解质的实例是例如聚-MMALi或相关的聚电解质。
下列化学通式的基于全氟聚醚的聚合物的实例：
（PFPE-Diol）和
（PFPE-DMC）
描述在Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 2014, 第3327页中。这种基于全氟聚醚的聚合物 - 相比于上述其余聚电解质而言- 通常不是单离子传导性聚电解质，而是锂离子电导性聚合物，其既不具有牢固键合的阴离子，也不具有活动的阳离子，并在添加锂导体盐，如双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）的情况下才变得锂离子传导性。但是，它们可以具有高的迁移数。这可以归因于，通过氟化，全氟聚醚氧上的电子密度下降并且因此氧和锂离子之间的配位变弱，并因此提高锂阳离子动力学，其中同时使氟化的盐阴离子非常强烈地与全氟聚醚相互作用，并降低其活动性，并因此有利地影响迁移数的值。如果阴极的电解质（阴极电解质）和/或阳极的电解质（阳极电解质）仅以单离子传导性聚电解质和/或无机单离子导体为基础，其不要求添加锂导电盐，则所述共聚物和/或聚合物混合物优选不含这种基于全氟聚醚的单元/聚合物，以避免由于盐溶解和扩散到阴极或阳极中的基于全氟聚醚的单元/聚合物和因此隔膜的贫化。
例如，至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物的重复单元或至少一种用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元可以包含或是：
- 下列化学通式的基于硼酸盐的单元：
，其中至少一个X，特别是至少两个X，例如三个X或四个X是
，
其中2 ≤ n ≤ 10，特别是3 ≤ n ≤ 10，
其中剩余的X分别彼此独立地是
或或R’，
其中2 ≤ m ≤ 10，特别是3 ≤ m ≤ 10，且其中R’是氢或氟；和/或
- 下列化学通式的基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元：
和/或；和/或
- 下列化学通式的基于磺酸的单元：
。
所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以特别地通过至少一种双键的聚合而获得。例如，所述基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元和/或基于全氟醚的单元和/或基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质和/或基于全氟聚醚的聚合物可以通过至少一种双键的聚合而获得。这种单元或聚合物可以有利地通过与苯乙烯的传统共聚而共聚，特别是从而以此方式获得用作隔膜和/或保护层的机械稳定化的共聚物。
例如，该共聚物可以通过苯乙烯和/或苯乙烯-衍生物，例如邻-甲基苯乙烯和/或对-甲基苯乙烯和/或间-叔丁氧基苯乙烯和/或2,4-二甲基苯乙烯和/或间-氯苯乙烯和/或对-氯苯乙烯和/或4-羧基苯乙烯和/或乙烯基苯甲醚和/或乙烯基苯甲酸和/或乙烯基苯胺和/或乙烯基萘与下列化学通式的单体的共聚来制造，
其中至少一个X，特别是至少两个X，例如三个X或四个X是
，其中2 ≤ n ≤ 10，特别是3 ≤ n ≤ 10，
其中剩余的X分别彼此独立地是
或或R’，其中2 ≤ m ≤ 10，特别是3 ≤ m ≤ 10，且其中R’是氢或氟，和/或
与下列化学通式的单体的共聚，特别是借助水解成磺酸与随后锂化来制造
，和/或
与下列化学通式的单体的共聚来制造
。
在另一个实施方案的范围中，所述共聚物是嵌段共聚物。在此，该嵌段共聚物可以特别地包含至少一种，特别是单离子传导性的由至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元(A)形成的嵌段(b-A)和至少一种，特别是起机械稳定作用的由至少一种起机械稳定作用的重复单元(B)形成的嵌段(b-B)。
特别地，嵌段共聚物（b-SIC-b-PS）可以包含至少一种，特别是单离子传导性的由至少一种用于形成单离子传导性聚电解质（SIC）的重复单元形成的嵌段（b-SIC）和至少一种，特别是起机械稳定作用的由至少一种基于苯乙烯的重复单元（PS）形成的嵌段（b-PS）。
所述特别是单离子传导性的嵌段（b-A）既可以是由用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质的重复单元(A)形成的均聚物，也可以是由多种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质的不同重复单元(A)形成的无规共聚物。
所述特别是起机械稳定作用的嵌段（b-B）也既可以是由起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的重复单元(B)形成的均聚物，也可以是由多种起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的不同重复单元(B)形成的无规共聚物。
在此，除了二嵌段共聚物（b-A-b-B）外，例如三嵌段共聚物（b-A-b-B-b-A或b-B-b-A-b-B，如b-PS-b-SIC-b-PS）和多嵌段共聚物也可行。
在另一个实施方案的范围中，所述共聚物此外包含至少一种锂离子电导性重复单元，和/或所述聚合物混合物此外包含至少一种锂离子电导性聚合物。
因此，可以有利地提高锂离子在该体系中的活动性并因此在接近1的始终高的迁移数的情况下提高导电性。这可以特别地在基于硼酸盐的单元/聚电解质和/或基于亚胺的单元/聚电解质的情况下是有利的。
锂离子电导性材料，例如锂离子电导性重复单元或锂离子电导性聚合物可以特别地被理解为是指材料，例如重复单元或聚合物，其可以本身不含要传导的离子，例如锂离子，但被设计用于将要传导的离子本身，例如锂离子配位和/或溶剂化，和/或将要传导的离子的反荷离子，例如锂导电盐阴离子配位，并例如在添加要传导的离子，例如锂离子的情况下特别以单离子传导性聚电解质的形式和/或任选导电盐的形式变得锂离子传导性。
在另一个实施方案的范围中，所述至少一种锂离子电导性重复单元包含或是氧化烯-单元，例如环氧乙烷-单元（EO）和/或环氧丙烷-单元（PO），特别是环氧乙烷-单元（EO），和/或低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元（OEGMA）和/或低聚乙二醇丙烯酸酯-单元，特别是低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元（OEGMA），和/或所述至少一种锂离子电导性聚合物包含或是聚氧化烯，例如聚环氧乙烷和/或聚环氧丙烷，特别是聚环氧乙烷，和/或聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）和/或聚-(低聚乙二醇)丙烯酸酯，特别是聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）。
所述至少一种锂离子电导性重复单元可以例如通过嵌段共聚或以无规共聚的形式整合到共聚物，特别是嵌段共聚物中。
例如，所述嵌段共聚物可以此外包含至少一种，特别是锂离子电导性的由至少一种锂离子电导性重复单元（C，例如OEGMA/EO/PO）形成的嵌段（b-C，例如b-OEGMA/ /EO/PO）。
所述至少一种，特别是锂离子电导性的嵌段的整合可以例如由所述至少一种，特别是锂离子电导性的嵌段的端位羟基（OH基团）出发，该羟基例如与丙烯酰氯或α-溴异丁酰溴反应，然后可以进行自由基聚合，由此连接所述至少一种，特别是起机械稳定作用的由至少一种起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的重复单元形成的嵌段和/或至少一种，特别是单离子传导性的由至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质的重复单元形成的嵌段。例如，所述至少一种，特别是锂离子电导性的嵌段的整合可以由所述至少一种，特别是锂离子电导性的嵌段的端位羟基（OH基团）起始，其与α-溴异丁酰溴反应，然后可以进行原子转移自由基聚合（ATRP），由此连接所述至少一种，特别是起机械稳定作用的由至少一种起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的重复单元形成的嵌段和/或至少一种，特别是单离子传导性的由至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质的重复单元形成的嵌段。通过这种与酰氯的反应，可以特别地还实现基于全氟聚醚的聚合物的整合。
在另一个实施方案的范围中，所述嵌段共聚物是二嵌段共聚物（b-A-b-B，例如b-SIC-b-PS）或三嵌段共聚物（b-A-b-B-b-A或b-B-b-A-b-B或b-A-b-B-b-C，例如b-SIC-b-PS-b-SIC或b-PS-b-SIC-b-PS或b-A-b-B-b-OEGMA/EO/PO）或多嵌段共聚物（b-A-b-C-b-B-b-C-b-A或b-B-b-C-b-A-b-C-b-B，例如b-SIC-b-OEGMA/EO/PO-b-PS-b-OEGMA/EO/PO-b-SIC或b-PS-B-EGMA/EGA/EO/PO-b-SIC-b-OEGMA/EO/PO-b-B）。
在嵌段共聚物的情况下，可以任选 – 例如在由溶液浇注聚合物层时 – 进行层状自组装（Selbstassemblierung），这可以导致该隔膜和/或保护层的改进的性能。
为了优化机械稳定性和/或运输性能，上述（共）聚合物结合嵌段共聚物可以例如还额外地相互混合（共混物）。在此，至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质和至少一种起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的聚合物以及任选至少一种锂离子电导性聚合物的聚合物混合物例如还可以 - 例如甚至在无嵌段共聚的情况下 - 提供隔膜层，其可以具有足够的锂离子运输性能和足够的机械稳定性。但是，倾向于通过共聚物，特别是通过嵌段共聚物可以实现传导性且起稳定作用的单元的更好组装并因此实现更好的锂离子运输性能。
为了进一步提高机械稳定性或抗锂树突性，可以例如使用共聚物，特别是嵌段共聚物与至少另一种起机械稳定作用的聚合物的混合物。
为了进一步提高锂离子运输性能，可以例如使用共聚物，特别是嵌段共聚物与至少另一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少另一种锂离子电导性聚合物的混合物。
为了改进粘合性能，可以例如使用共聚物，特别是嵌段共聚物与至少一种基于聚偏二氟乙烯（PVDF）的粘合剂的混合物。
各种嵌段共聚物与其它嵌段共聚物，例如b-A-b-B与b-A-b-B’、b-A-b-B-b-A与b-A-b-B-b-A’、b-B-b-A-b-B与b-B-b-A-b-B’或b-A-b-B-b-C与b-A-b-B-b-C’、b-A-b-B-b-C与b-A-b-B-b-A、b-A-b-B-b-C与b-B-b-A-b-B的混合物也可行。
为了此外优化所述隔膜和/或保护层的机械稳定性和/或运输性能，该隔膜和/或保护层可以此外包含至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体，和/或至少一种其它添加剂，例如至少一种填料，例如二氧化硅（SiO2）、氧化钛（TiO2）或氧化铝（Al2O3）。
在另一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层因此此外包含至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体。例如，该至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体可以具有锂离子迁移数> 0.7，例如>0.8，例如> 0.9。
无机单离子导体可以特别地被理解为是指无机电解质，其中阴离子牢固地，特别是离子地与结构，例如晶格键合，和/或特别是直接地整合到结构，例如晶格中，并由此只有相应阳离子，特别是锂离子是活动/移动的。因此，在此只有也参与电化学电极反应的离子种类，即锂离子是活动的。
无机单离子导体的特征同样在于对于锂离子（Li+）的迁移数接近1。因此，也可以通过无机单离子导体避免极端浓度坡度并实现高的电流密度。
例如，所述至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体可以包含或是至少一种硫化物型离子导体，特别是单离子导体。所述至少一种无机的，特别是硫化物型的离子导体可以例如是玻璃状的。例如，该至少一种无机的，特别是硫化物型的离子导体可以基于化学通式：(Li2S)x : (P2S5)y : Dz，其中Dz是一种或多种添加剂，例如例如LiCl和/或LiBr和/或LiI和/或LiF和/或Li2Se和/或Li2O和/或P2Se5和/或P2O5和/或Li3PO4和/或锗、硼、铝、钼、钨、硅、砷和/或铌，特别是锗的一种或多种硫化物。x、y和z可以在此特别地是组分比。这种离子导体可以例如由单组分 Li2S和P2S5以及任选的D合成。在此，该合成可以任选地在保护气体下进行。
特别地，所述至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体可以包含或是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
所述单离子导体被证明是特别有利的，因为它们可以具有高的离子电导率和在材料内的晶界上以及与其它组分，例如阴极活性材料的低的接触电阻。此外，所述离子导体可以是延性的，因此其可以特别有利地用于例如也可以具有粗糙表面的多孔活性材料的情况下。总体上，因此可以有利地进一步改进配备有该阴极材料的电池的长期稳定性和性能。
锂-硫银锗矿可以特别地被理解为是指衍生自化学通式Ag8GeS6的矿物硫银锗矿的化合物，其中银（Ag）被锂（Li）替换，且其中还特别地，锗（Ge）和/或硫（S）也可以被其它元素，例如第III、IV、V、VI和/或VII主族的元素替换。
锂-硫银锗矿的实例是：
- 下列化学通式的化合物：
Li7PCh6
其中Ch是硫（S）和/或氧（O）和/或硒（Se），例如硫（S）和/或硒（Se），特别是硫（S）
- 下列化学通式的化合物：
Li6PCh5X
其中Ch是硫（S）和/或氧（O）和/或硒（Se），例如硫（S）和/或氧（O），特别是硫（S），且X是氯（Cl）和/或溴（Br）和/或碘（I）和/或氟（F），例如X是氯（Cl）和/或溴（Br）和/或碘（I），
- 下列化学通式的化合物：
Li7-δBCh6-δXδ
其中Ch是硫（S）和/或氧（O）和/或硒（Se），例如硫（S）和/或硒（Se），特别是硫（S），B是磷（P）和/或砷（As），X是氯（Cl）和/或溴（Br）和/或碘（I）和/或氟（F），例如X是氯（Cl）和/或溴（Br）和/或碘（I），且0 ≤ δ ≤ 1。
例如，所述至少一种无机离子导体可以包含至少一种下列化学式的锂-硫银锗矿：Li7PS6、Li7PSe6、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li7-δPS6-δClδ、Li7-δPS6-δBrδ、Li7-δPS6-δIδ、Li7-δPSe6-δClδ、Li7-δPSe6-δBrδ、Li7-δPSe6-δIδ、Li7-δAsS6-δBrδ、Li7-δAsS6-δIδ、Li6AsS5I、Li6AsSe5I、Li6PO5Cl、Li6PO5Br和/或Li6PO5I。锂-硫银锗矿例如描述于印刷文献Angew. Chem. Int.Ed., 2008, 47, 755-758；Z. Anorg. Allg. Chem., 2010, 636, 1920-1924；Chem. Eur.J., 2010,16,2198-2206；Chem. Eur. J., 2010,16, 5138-5147；Chem. Eur. J., 2010,16, 8347-8354；Solid State Ionics, 2012, 221, 1-5；Z. Anorg. Allg. Chem., 2011,637, 1287-1294；和Solid State Ionics, 2013, 243, 45-48中。
特别地，该锂-硫银锗矿可以是硫化物型锂-硫银锗矿，例如在Ch是硫（S）时。
锂-硫银锗矿可以特别地通过机械化学反应程序来制造，例如其中将起始物质，如卤化锂，例如LiCl、LiBr和/或LiI和/或硫属化锂，例如Li2S和/或Li2Se和/或Li2O和/或第V主族的硫属化物，例如P2S5、P2Se5、Li3PO4特别是以化学计量量相互研磨。这可以例如在球磨机，特别是高能球磨机中，例如以600 rpm的转数进行。特别地，所述研磨可以在保护气体气氛下进行。
例如，所述至少一种无机离子导体可以包含至少一种下列化学式的硫化物型玻璃：Li10GeP2S12、Li2S-(GeS2)-P2S5和/或Li2S-P2S5。例如，所述至少一种无机离子导体可以包含含锗的硫化物型玻璃，例如Li10GeP2S12和/或Li2S-(GeS2)-P2S5，特别是Li10GeP2S12。硫化物型锂离子导体可以有利地具有高的锂离子电导性和化学稳定性。
在一个特别的实施方式的范围中，所述至少一种无机离子导体包含或是锂-硫银锗矿。锂-硫银锗矿的特征有利地在于在材料内的晶界上以及与其它组分，例如活性材料颗粒的例如低的接触电阻。因此可以有利地实现在晶界面上和内的特别高的离子传导。有利地，锂-硫银锗矿还可以不经烧结程序而具有晶粒之间的低接触电阻。因此可以有利地简化电极或电池的制造。
就本发明隔膜和本发明保护层的其它技术特征和优点而言，在此明确参阅关于本发明电池、本发明共聚物、本发明聚合物混合物和本发明聚合物电解质的阐述以及参阅附图和附图说明。
本发明的另一主题是锂电池，例如锂离子电池或锂硫电池和/或固体电池，其包括本发明的隔膜和/或保护层。在此，该电池可以包括阴极和阳极，其中所述隔膜和/或保护层布置在阴极和阳极之间。该阳极可以例如是锂金属-阳极，特别是由金属锂制成的。
本发明的隔膜和/或本发明的保护层可以有利地此外承担对于阴极的电解质（阴极电解质）和/或阳极的电解质（阳极电解质）中的液体组分，例如液体电解质和/或离子液体的阻隔物的功能，因为该隔膜和/或保护层仅以极小程度被该液体组分可溶并因此也几乎不可被其溶胀。
因此，所述阴极，特别是阴极电解质，和/或阳极，特别是阳极电解质可以与本发明的隔膜组合着具有至少一种液体电解质，其例如由至少一种溶剂，例如至少一种有机碳酸酯和至少一种锂导电盐，例如双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）形成，和/或至少一种离子液体（英文：Ionic Liquid）。通过该液体组分，可以有利地在继续高的锂离子迁移数（t+）下明显提高阴极电解质或阳极电解质的导电性和锂扩散。
计算已得出，在使用本发明的隔膜和/或本发明的保护层时可能足够的是，在阴极和/或阳极中任选还使用仅具有迁移数≤ 0.7，优选≥ 0.5的电解质，例如阴极电解质或阳极电解质。因此，可以与本发明的隔膜组合着使用阴极和/或阳极，任选还有至少一种迁移数≤ 0.7，优选≥ 0.5的液体电解质和/或聚合物-凝胶-电解质，其具有至少一种溶解在其中的锂导电盐，例如双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）。
但是在一个实施方式的范围中，所述阴极，特别是阴极电解质包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，特别是单离子导体，和/或所述阳极，特别是阳极电解质包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，特别是单离子导体。
就这种本发明电池的其它技术特征和优点而言，在此明确参阅关于下述本发明电池的阐述。
本发明的另一主题因此是锂电池，例如锂硫电池或锂离子电池和/或固体电池，其包括阴极和阳极，其中在该阴极和阳极之间布置隔膜和/或保护层。在此，该隔膜和/或保护层包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的特别是锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，例如单离子导体，其中所述阴极，特别是阴极电解质（同样）包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，例如单离子导体，和/或其中所述阳极，特别是阳极电解质（同样）包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是>0.8，例如> 0.9的聚合物，和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，例如单离子导体。
在另一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阴极的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阳极的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质。
通过在隔膜和/或保护层以及阴极和/或阳极中均使用至少一种锂离子迁移数>0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和/或至少一种无机离子导体，特别是单离子导体，特别是替代基于锂离子电导性聚合物的聚合物电解质与至少一种其中溶解的锂导电盐，可以有利地至少最小化或避免极端浓度坡度和与之相伴的可能限制可达到的电流密度的过压。通过所述极端浓度梯度的最小化或避免，可以一方面特别地避免区域缺乏导电盐，这可能导致严重减小电化学动力学，并因此可能导致动力学过压的提高以及不希望的电化学副反应的优先和任选甚至可能导致电池损坏。另一方面，可以因此特别地避免在极高盐浓度的区域中沉淀导电盐，这可能导致孔隙的堵塞和任选甚至可能导致局部电导率降低多个数量级。
因此，可以有利地在充电和放电方向上甚至经长时间或大Δ-SOC-范围，特别是对于例如3C或更高的恒定高电流负载而言维持高的电流密度，并特别地还实现快速的电池充电。
在此，除了阳极和阴极的电子绝缘功能外，所述隔膜还可以承担用于一个或两个电极，例如阳极和/或阴极，例如锂金属-阳极的保护层的功能，由此可以实现改进的抗锂树突性，其可以有利地作用于配备其且例如具有锂金属-阳极的电池的使用寿命。
因此，总体上，可以通过在所述隔膜和/或保护层以及阴极和/或阳极中均使用所述至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和/或至少一种例如锂离子迁移数> 0.7的无机离子导体，特别是单离子导体，实现快速充电和放电和延长的电池使用寿命，并还可以将该电池特别地用于电动车中。
相比于通常使用的具有对于锂金属明显低于4V的电化学稳定性的例如基于聚环氧乙烷/盐混合物的聚合物电解质而言，单离子传导性聚电解质可以有利地具有更高的电化学稳定性。对于其用作阴极中的电解质（阴极电解质）而言，这可以是特别重要的，特别是当应利用其总容量时，因为用作阴极材料并由于其性能被预定用于具有高能量密度的电池或由于相比于基于LiS的电池而言具有对于电池组管理系统更有利的相对更高的平均充电/放电电压的许多已知的嵌入化合物，例如镍-钴-铝-氧化物（NCA）、镍-钴-锰-氧化物（NCM）、高能-镍-钴-锰-氧化物（HE-NCM）、锂-锰-氧化物（LMO）和/或高压尖晶石（HV-LMO）在脱锂状态下具有> 4 V 的电势。
在另一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层的至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机单离子导体包含或是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阴极的至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机单离子导体包含或是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阳极的至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机单离子导体包含或是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
特别地，该隔膜和/或保护层和阴极可以包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，例如单离子传导性聚电解质。
例如，所述隔膜和/或保护层和/或阴极和/或阳极的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质可以包含基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质和/或基于全氟聚醚的聚合物。
在另一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阴极的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阳极的至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
在另一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层包含至少一种锂离子迁移数>0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阴极包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述阳极包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的例如锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物。
这种混合物的优点在于，通过与相对软质的聚合物，特别是单离子传导性的聚电解质进行混合，具有低孔隙率的致密阴极的制造可以更简单和/或接触电阻可以相比于在纯无机离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃作为阴极电解质或阳极电解质的情况中而言显示为还更低。在隔膜的情况下，可以通过这种混合还有利地进一步改进机械稳定性。
所述隔膜和/或保护层以及阴极和/或阳极的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体不需要必然相同。
所述阴极可以例如包含至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体；或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃和至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，例如单离子传导性聚电解质的混合物。
所述隔膜和/或保护层可以特别地包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，例如单离子传导性聚电解质；或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，例如单离子传导性聚电解质和至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃和至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，例如单离子传导性聚电解质的混合物。因此，该隔膜和/或保护层可有利地以简单的方式作为< 50 µm薄的薄膜例如通过浆料-和/或浇注工艺来制造，并例如可直接施加到阴极或阳极上。此外，离子迁移数> 0.7的聚合物，例如单离子传导性聚电解质倾向于比无机离子导体，如硫化物型玻璃和/或锂-硫银锗矿更软，并因此可以倾向于实现较低的接触电阻。
在一个实施方案的范围中，所述隔膜和/或保护层是本发明的隔膜和/或本发明的保护层。在此，该锂电池可以例如是最初阐述的本发明锂电池。
所述阴极可以特别地包含颗粒状的阴极活性材料。该阴极活性材料可以例如包含例如基于硫的锂转换材料，即可以进行与锂的转换反应的材料，或例如基于金属氧化物的锂嵌入材料，即可以嵌入锂的材料，例如镍-钴-铝-氧化物（NCA）和/或镍-钴-锰-氧化物（NCM）、高能-镍-钴-锰-氧化物（HE-NCM）、锂-锰-氧化物（LMO）和/或高压尖晶石（HV-LMO）或由其形成。
在一个特别的实施方式的范围中，所述阴极活性材料包含硫碳复合材料，特别是硫-聚合物-和/或-碳变体-复合材料，或由其形成。例如，该阴极活性材料可以包含硫-聚合物-复合材料，例如由具有共价和/或离子，特别是共价结合的硫的特别是导电的聚合物形成的复合材料，或由其形成。例如，该阴极活性材料可以包含硫-聚丙烯腈-复合材料或由其形成。例如，该阴极活性材料可以包含SPAN或由其形成。
SPAN可以特别地被理解为是指基于聚丙烯腈（PAN），特别是环化聚丙烯腈（cPAN）的复合材料或具有特别是共价地结合的硫的聚合物，特别是通过聚丙烯腈在硫存在下的热转化和/或化学反应可得的那些。在此特别地，腈基团可以反应成为特别是具有共轭π体系的聚合物，其中腈基团反应成为相互连接的含氮环，特别是六元环，其特别是具有共价结合的硫。例如，SPAN可以通过将聚丙烯腈（PAN）与过量元素硫特别地加热到≥ 300 °C，例如约≥ 300 °C至≤ 600 °C的温度来制造。在此，该硫可以特别地一方面将聚丙烯腈（PAN）环化并形成硫化氢（H2S），另一方面以细分散在环化基质中的形式结合并例如形成共价S-C键，例如其中形成具有共价硫链的环化聚丙烯腈结构。SPAN 描述在Chem. Mater., 2011, 23,5024和J. Mater. Chem., 2012, 22, 23240, J. Elektrochem. Soc., 2013, 160 (8)A1170和印刷文献 WO 2013/182360 A1中。
在使用硫，例如SPAN作为活性材料时，该隔膜和/或保护层可以额外地承担扩散阻隔物的功能。
所述阳极可以特别是锂金属-阳极。因此可以有利地实现特别高的比能量密度。在此，该隔膜和/或保护层和阴极可以特别是分别地包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，例如单离子传导性聚电解质。
但是，也可以使用基于颗粒状的阳极活性材料的阳极。因此可以有利地实现特别高的倍率性能。例如，该颗粒状的阳极活性材料可以包含锂嵌入材料，例如石墨和/或无定形碳和/或钛酸锂和/或锂合金材料，例如硅和/或锡或由其形成。在此，该阳极活性材料可以特别地以例如球形和/或长形和/或薄片状（flockenartig）和/纤维形的颗粒的形式形成，并被电解质包围。
特别地，如果所述阳极包含颗粒状的阳极活性材料，例如锂嵌入材料或锂合金材料，则该隔膜和/或保护层和阴极和阳极可以特别是分别地或全部包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，例如单离子传导性聚电解质。
所述隔膜和/或保护层和阴极和任选阳极的至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，例如单离子传导性聚电解质不需要必然相同，而是可以特别地匹配电池各自使用领域中的例如溶液性能、电压稳定性、体积功等方面的各自要求和/或相应优化。
所述阴极和/或阳极可以此外包含至少一种导电添加剂。所述阴极和/或阳极的至少一种导电添加剂可以例如包含或是至少一种碳变体，例如炭黑和/或石墨。因此可以形成或改进渗透性（perkolierend）导电网络并以此方式提高电导率。特别地，该阴极和/或阳极可以包含至少一种阴极活性材料或阳极活性材料，至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体和至少一种导电添加剂。
此外，该隔膜和/或保护层和/或阴极和/或阳极可以例如包含至少一种锂离子电导性聚合物，特别是聚氧化烯，例如聚环氧乙烷和/或聚环氧丙烷，例如聚环氧乙烷和/或聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）和/或聚-(低聚乙二醇)丙烯酸酯，特别是聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）。
此外，该阴极可以任选地，特别是除了至少一种单离子传导性聚电解质外包含至少一种液体电解质，其例如由至少一种溶剂，例如至少一种有机碳酸酯，如碳酸亚乙酯（EC）和/或碳酸二甲酯（DMC）和/或碳酸二乙酯（DEC）和至少一种锂导电盐，例如双(三氟甲磺酰基)亚胺锂（LiTFSI）形成，例如EC:DMC:DEC + LiTFSI，和/或至少一种离子液体（英文：Ionic Liquid）。通过添加液体电解质和/或离子液体，可以有利地 - 在继续足够高的接近1的锂离子迁移数（t+）的情况下 - 提高锂离子电导率和锂离子扩散，并优化电池中的锂离子运输。在此，特别是本发明的隔膜可以额外地承担对于阴极电解质和/或阳极电解质的液体组分的阻隔物的功能。在此，特别是本发明的隔膜可以有利地保持其机械性能，特别是防止树突的性能，并例如 – 如果存在 – 几乎不溶解或溶胀。
例如，本发明的电池可以用于车辆，例如电动车和/或混合动力车，和/或消费者应用，例如移动式设备，如移动式电脑和/或平板电脑和/或智能手机的电池组中。
就本发明电池的其它技术特征和优点而言，在此明确参阅关于本发明隔膜、本发明保护层、本发明共聚物、本发明聚合物混合物和本发明聚合物电解质的阐述以及参阅附图和附图说明。
此外，本发明涉及共聚物和/或聚合物混合物（共混物）和/或聚合物电解质，其特别是用于锂-电池，例如用于锂硫电池或锂离子电池和/或用于固体电池。
在此，该共聚物特别地包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元，和至少一种起机械稳定作用的重复单元。
所述聚合物混合物在此可以特别地包含至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是>0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质，和至少一种起机械稳定作用的聚合物。
所述聚合物电解质在此可以至少包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元，和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.8，例如> 0.9的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质。任选地，该聚合物电解质可以此外包含至少一种起机械稳定作用的重复单元和/或至少一种起机械稳定作用的聚合物。例如，该聚合物电解质可以基于例如这种的共聚物和/或例如这种的聚合物混合物（共混物）。
在此，该至少一种起机械稳定作用的重复单元可以特别地包含或是至少一种基于苯乙烯的重复单元，和/或所述至少一种起机械稳定作用的聚合物可以包含或是基于苯乙烯的聚合物。
在另一个实施方案的范围中，所述共聚物和/或聚合物电解质的至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元包含或是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元和/或基于全氟醚的单元，和/或所述聚合物混合物和/或聚合物电解质的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质和/或基于全氟聚醚的聚合物。
所述至少一种基于苯乙烯的重复单元和/或至少一种聚合物可以例如通过苯乙烯和/或邻-甲基苯乙烯和/或对-甲基苯乙烯和/或间-叔丁氧基苯乙烯和/或2,4-二甲基苯乙烯和/或间-氯苯乙烯和/或对-氯苯乙烯和/或4-羧基苯乙烯和/或乙烯基苯甲醚和/或乙烯基苯甲酸和/或乙烯基苯胺和/或乙烯基萘和/或类似物的聚合可得。
所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元可以特别地被设计用于形成单离子传导性聚电解质。该至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以特别是单离子传导性聚电解质。
所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物的重复单元或至少一种用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元可以例如包含或是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元。
所述至少一种锂离子迁移数> 0.7，特别是> 0.9的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质可以例如包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
在另一个实施方案的范围中，所述共聚物是嵌段共聚物。在此，该嵌段共聚物可以包含至少一种，特别是单离子传导性的由至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元（A，例如SIC）形成的嵌段（b-A，例如b-SIC）和至少一种，特别是起机械稳定作用的由至少一种机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的重复单元形成的嵌段（b-B，例如b-PS）。
在另一个实施方案的范围中，所述共聚物此外包含至少一种锂离子电导性重复单元。在此，该至少一种锂离子电导性重复单元可以包含或是氧化烯-单元，特别是环氧乙烷-单元（EO）和/或环氧丙烷-单元（PO），特别是环氧乙烷-单元（EO），和/或低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元（OEGMA）和/或低聚乙二醇丙烯酸酯-单元，特别是低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元（OEGMA）。
在另一个替代或额外的实施方案的范围中，所述聚合物混合物此外包含至少一种锂离子电导性聚合物。在此，该至少一种锂离子电导性聚合物可以包含或是聚氧化烯，特别是聚环氧乙烷和/或聚环氧丙烷，特别是聚环氧乙烷，和/或聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）和/或聚-(低聚乙二醇)丙烯酸酯，特别是聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯（P-(OEGMA)）。
例如，所述嵌段共聚物此外可以包含至少一种，特别是锂离子电导性的由至少一种锂离子电导性的重复单元形成的嵌段。
例如，所述嵌段共聚物可以是二嵌段共聚物（b-A-b-B，例如b-SIC-b-PS）或三嵌段共聚物（b-A-b-B-b-A或b-B-b-A-b-B，例如b-SIC-b-PS-b-SIC或b-PS-b-SIC-b-PS）或多嵌段共聚物（b-A-b-C-b-B-b-C-b-A，例如b-SIC-b-OEGMA/ /EO/PO-b-PS-b-OEGMA/EO/PO-b-SIC）。
就本发明共聚物、本发明聚合物混合物和本发明聚合物电解质的其它技术特征和优点而言，在此明确参阅关于本发明隔膜、本发明保护层和本发明电池的阐述以及参阅附图和附图说明。
附图
本发明主题的优点和有利实施方式通过附图说明并在下列说明书中阐述。在此应注意，附图仅具有描述性特征并不旨在以任何形式限制本发明。
图1显示了通过本发明锂电池的一个实施方案的示意性截面；且
图2显示了用于说明对于达到电池1C、2C和3C倍率性能而言在电池中阴极聚合物电解质的假设的离子电导率或扩散系数下对于阴极聚合物电解质的最小所需的迁移数（t+ min）之间的依赖性的图表。
图1显示了特别是固体电池形式的锂电池1，其包括阴极2和阳极3，其中在阴极2和阳极3之间布置隔膜4。阳极3在此是由金属锂形成的锂金属-阳极。隔膜4在此还实现针对阳极3的树突形成的保护层的功能。
隔膜4在此特别地包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物。特别地，隔膜4可以为此包含至少一种单离子传导性聚电解质。例如，隔膜4可以包含基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。此外，隔膜4可以包含至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的具有锂离子迁移数> 0.7的无机离子导体，特别是单离子导体，例如锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃（未示出）。
阴极2在此包含特别是颗粒状的阴极活性材料5，其例如基于金属氧化物，如镍-钴-铝-氧化物（NCA）、镍-钴-锰-氧化物（NCM）、高能-镍-钴-锰-氧化物（HE-NCM）、锂-锰-氧化物（LMO）和/或高压尖晶石（HV-LMO），或基于硫，以及，特别是作为阴极电解质 6，包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种，特别是陶瓷和/或玻璃状的具有锂离子迁移数> 0.7的无机离子导体，特别是单离子导体。特别地，阴极2可以为此包含至少一种单离子传导性聚电解质和/或至少一种锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。例如，阴极2可以包含基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。此外，阴极2包含导电添加剂 7，例如炭黑和/或石墨，以改进阴极2的电导性。
所述隔膜 4的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质和所述阴极2的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质可以是不同的，或任选也可以是至少类似的。
图1此外显示了，阴极2配备有集流体8。
在一个特别的实施方式的范围中，隔膜4包含共聚物和/或聚合物混合物（共混物），其中该共聚物包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元和至少一种起机械稳定作用的重复单元，和/或其中该聚合物混合物包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是至少一种单离子传导性聚电解质和至少一种起机械稳定作用的聚合物。在此，所述至少一种起机械稳定作用的重复单元可以包含或是至少一种基于苯乙烯的重复单元和/或所述至少一种起机械稳定作用的聚合物可以包含或是至少一种基于苯乙烯的聚合物。在此特别地，隔膜4的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和阴极2的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以在此至少彼此不同在于，阴极2的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物不含起机械稳定作用的，例如基于苯乙烯的重复单元和/或不含起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的聚合物。所述隔膜 4的至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和阴极2的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物可以在其它方面也不同或特别地也至少彼此类似，或任选甚至相同。
图2说明了计算结果，其中通过电池的假设的电导率或扩散系数计算出阴极聚合物电解质的最小所需的锂离子迁移数t+ min，其被需要以实现具有SOC = 0 %至SOC = 75 %的恒定C率的充电过程。作为基础，在此使用具有10 μm厚的隔膜以及具有阴极的电池，该隔膜被设计为具有电导率4 e-4 S/cm、盐扩散系数1 e-12 m2/s和锂离子迁移数t+ 0.25的传统聚合物电解质，例如PEO/LiTFSI，且其运输性能不改变，该阴极具有4 mAh/cm²的载荷（Beladung）并且同样含有聚合物电解质，例如PEO/LiTFSI，但其运输性能改变。阴极的聚合物电解质的运输性能在此特别地改变阴极的聚合物电解质中的导电盐的电导率I和扩散系数D。
在图2 中显示了具有恒定C率的模拟充电过程的结果，即对于1C在曲线10中，对于2C在曲线11中且对于3C在曲线12中。在图2中可以如下解释约1 e-2 S/cm下的曲线12：对于具有3C的恒流充电，需要迁移数t+ > 0.5。但是在计算图2中所示的图表时，仅将具有锂离子迁移数t+ 0.25的基于PEO的聚合物电解质看作隔膜，其导致额外的浓差极化并因此提高对于阴极的聚合物电解质（阴极电解质）的迁移数的要求。在使用锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是在使用例如锂离子迁移数> 0.8或> 0.9的单离子传导性聚电解质作为隔膜和/或保护层时，相对于图2中所示而言有利地降低阴极电解质的最小所需锂离子迁移数t+ min方面的要求。因此看似可以有利地例如在1 e-3 S/cm的阴极电解质电导率和在阴极电解质中< 0.7的锂离子迁移数t+下，例如对于锂离子迁移数t+ = 0.5就实现3C充电过程（未在图中示出）。

Claims (20)

1.用于锂电池(1)的隔膜和/或保护层(4)，其包含共聚物和/或聚合物混合物，
其中所述共聚物包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元和至少一种起机械稳定作用的重复单元，和/或
其中所述聚合物混合物包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和至少一种起机械稳定作用的聚合物。
2.根据权利要求1的隔膜和/或保护层(4)，
其中所述至少一种起机械稳定作用的重复单元包含或是至少一种基于苯乙烯的重复单元，和/或
其中所述至少一种起机械稳定作用的聚合物包含或是至少一种基于苯乙烯的聚合物。
3.根据权利要求1或2的隔膜和/或保护层(4)，
其中所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元被设计用于形成单离子传导性聚电解质，和/或
其中所述至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物是单离子传导性聚电解质。
4.根据权利要求1或3的隔膜和/或保护层(4)，
其中所述至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元或至少一种用于形成单离子传导性聚电解质的重复单元包含或是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元，和/或
其中所述至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
5.根据权利要求1至4任一项的隔膜和/或保护层(4)，其中所述共聚物是嵌段共聚物，其中所述嵌段共聚物包含至少一种由至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质的重复单元形成的嵌段和至少一种由至少一种起机械稳定作用的，特别是基于苯乙烯的重复单元形成的嵌段。
6.根据权利要求1至5任一项的隔膜和/或保护层(4)，其中所述共聚物此外包含至少一种锂离子电导性重复单元，和/或
其中所述聚合物混合物此外包含至少一种锂离子电导性聚合物。
7.根据权利要求6的隔膜和/或保护层(4)，
其中所述至少一种锂离子电导性重复单元是氧化烯-单元，特别是环氧乙烷-单元，和/或低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元和/或低聚乙二醇丙烯酸酯-单元，特别是低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元，和/或
其中所述至少一种锂离子电导性聚合物是聚氧化烯，特别是聚环氧乙烷，和/或聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯和/或聚-(低聚乙二醇)丙烯酸酯，特别是聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯。
8.根据权利要求5至7任一项的隔膜和/或保护层(4)，
其中所述嵌段共聚物是二嵌段共聚物或三嵌段共聚物或多嵌段共聚物。
9.根据权利要求1至8任一项的隔膜和/或保护层(4)，其中所述隔膜和/或保护层(4)此外包含至少一种无机单离子导体，特别是其中所述至少一种无机单离子导体是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
10.锂电池(1)，其包括根据权利要求1至9任一项的隔膜和/或保护层(4)。
11.锂电池(1)，其包括阴极(2)和阳极(3)，其中在阴极(2)和阳极(3)之间布置隔膜和/或保护层(4)，
其中隔膜和/或保护层(4)包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种锂离子迁移数> 0.7的无机离子导体，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体，并且
其中阴极(2)包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种无机离子导体，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体，和/或
其中阳极(3)包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物和/或至少一种无机离子导体，特别是陶瓷和/或玻璃状的无机离子导体，特别是单离子导体。
12.根据权利要求11的锂电池(1)，
其中隔膜和/或保护层(4)的至少一种无机单离子导体是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃，和/或
其中阴极(2)的至少一种无机单离子导体是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃，和/或
其中阳极(3)的至少一种无机单离子导体是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃。
13.根据权利要求11或12的锂电池(1)，
其中隔膜和/或保护层(4)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质，并且
其中阴极(2)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质，和/或
其中阳极(3)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物包含或是单离子传导性聚电解质。
14.根据权利要求11至13任一项的锂电池(1)，
其中隔膜和/或保护层(4)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质，并且
其中阴极(2)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质，和/或
其中阳极(3)的至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物或至少一种单离子传导性聚电解质包含或是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质。
15.根据权利要求11至14任一项的锂电池(1)，
其中隔膜(4)和/或保护层包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种无机离子导体，特别是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物，并且
其中阴极(2)包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种无机离子导体，特别是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物，和/或
其中阳极(3)包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是单离子传导性聚电解质和至少一种无机离子导体，特别是锂-硫银锗矿和/或硫化物型玻璃的混合物。
16.根据权利要求11至15任一项的锂电池(1)，
其中阳极(3)是锂金属-阳极，并且其中隔膜和/或保护层(4)和阴极(2)包含至少一种单离子传导性聚电解质，或
其中阳极(3)包含颗粒状阳极活性材料，其中隔膜和/或保护层(4)和阴极(2)和阳极(3)包含至少一种单离子传导性聚电解质。
17.根据权利要求11至16任一项的锂电池(1)，其中隔膜和/或保护层(4)是根据权利要求1至9任一项的隔膜和/或保护层(4)。
18.共聚物和/或聚合物混合物和/或基于共聚物和/或聚合物混合物的聚合物电解质，
其中所述共聚物包含至少一种用于形成锂离子迁移数> 0.7的聚合物的重复单元，特别是基于硼酸盐的单元和/或基于磺酸的单元和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的单元和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的单元和/或基于全氟醚的单元，和至少一种基于苯乙烯的重复单元，和/或
其中所述聚合物混合物包含至少一种锂离子迁移数> 0.7的聚合物，特别是基于硼酸盐的聚电解质和/或基于磺酸的聚电解质和/或基于亚胺的，特别是基于磺酰基亚胺的聚电解质和/或基于锂化丙烯酸和/或甲基丙烯酸的聚电解质和/或基于全氟聚醚的聚合物，和至少一种基于苯乙烯的聚合物。
19.根据权利要求18的共聚物和/或聚合物混合物和/或聚合物电解，其中所述共聚物是嵌段共聚物，其中所述嵌段共聚物包含至少一种由至少一种用于形成锂离子迁移数>0.7的聚合物的重复单元形成的嵌段和至少一种由至少一种基于苯乙烯的重复单元形成的嵌段。
20.根据权利要求18或19的共聚物和/或聚合物混合物和/或聚合物电解质，
其中所述共聚物此外包含至少一种锂离子电导性重复单元，特别是其中所述至少一种锂离子电导性重复单元包含或是氧化烯-单元，特别是环氧乙烷-单元，和/或低聚乙二醇甲基丙烯酸酯-单元和/或低聚乙二醇丙烯酸酯-单元，和/或
其中所述聚合物混合物此外包含至少一种锂离子电导性聚合物，特别是其中所述至少一种锂离子电导性聚合物包含或是聚氧化烯，特别是聚环氧乙烷，和/或聚-(低聚乙二醇)甲基丙烯酸酯和/或聚-(低聚乙二醇)丙烯酸酯，
特别是其中所述嵌段共聚物此外包含至少一种由至少一种锂离子电导性重复单元形成的嵌段。
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