DE102010048321A1

DE102010048321A1 - Elektroden mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren oder ihre Form ändernden Komponente

Info

Publication number: DE102010048321A1
Application number: DE102010048321A
Authority: DE
Inventors: Xinran Xiao; Adam T. Timmons; Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-09-15
Also published as: US20110086294A1; CN102054962B; CN102054962A; US8420259B2

Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst eine Elektrode mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren oder ihre Form ändernden Komponente.

Description

Technisches Gebiet
Das Gebiet, auf das sich die Offenlegung allgemein bezieht, umfasst Elektroden mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren oder ihre Form ändernden Komponente, Produkte, welche dieselbe enthalten und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Hintergrund
Elektroden wurden in einer Vielzahl von Anwendungen wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen verwendet.
Zusammenfassung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst eine Elektrode mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren oder ihre Form ändernden Komponente, die gebaut und eingerichtet ist, um sich beim Einbau von Lithium in die Elektrode in der Größe zu verringern oder die Form zu ändern.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Produkt mit einer Elektrode, die ein aktives Material zum Einlagern von Lithium und elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln umfasst.
Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich Illustrationszwecken dienen sollen und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 eine Schnittansicht mit weggebrochenen Abschnitten einer Ausführungsform einer Lithium-Ionen-Batterie in einer zylindrischen Dose gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
2 eine Schnittansicht eines Abschnittes einer Lithium-Ionen-Batterieelektrode mit einem aktiven Material zum Einlagern von Lithium und einer Vielzahl von Mikrohohlkugeln in einer ersten Konfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
3 die Lithium-Ionen-Batterieelektrode von 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, wobei Lithium auf dem aktiven Material eingelagert ist und bewirkt, dass die Mikrohohlkugeln zu einer zweiten Konfiguration zusammengedrückt werden.
4 eine Brennstoffzellenelektrodenmembrananordnung mit Elektroden, die Mikrohohlkugeln umfassen, veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich von beispielhafter (illustrativer) Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Elektrode mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren oder ihre Form ändernden Komponente, die gebaut und eingerichtet ist, um sich beim Einbau von Lithium in die Elektrode in der Größe zu verringern oder die Form zu ändern und dadurch die Elektrodenausdehnung zu reduzieren. Solch eine Komponente kann elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Elektrode kann in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, welche Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Lithium-Ionen-Batterie 10, bei der Abschnitte entfernt und innere Abschnitte freigelegt sind. Die Lithium-Ionen-Batterie 10 kann eine negative Elektrode 12 und eine positive Elektrode 14 umfassen, die durch einen Separator 16 getrennt sind. Eine negative Elektrodenfahne 18 kann mit der negativen Elektrode 12 verbunden sein und eine positive Elektrodenfahne 20 kann mit der positiven Elektrode 14 verbunden sein. Die negative Elektrode 12, der Separator 16 und die positive Elektrode 14 können in einem Batteriegehäuse 22 wie z. B. einer Stahldose getragen sein, die einen negativen Anschluss 24 in Kontakt mit der negativen Elektrodenfahne 18 und einen positiven Anschluss 26 in Kontakt mit der positiven Elektrodenfahne 20 aufweist. Solche Batterien können einen Elektrolyt in der Form einer Flüssigkeit oder eines Gels umfassen.
Die negative Elektrode 12 und die positive Elektrode 14 liegen typischerweise sehr nahe nebeneinander, wobei ein Separator 16 einen Kontakt und möglichen Kurzschluss verhindert. Wenn die Batterie mit einer Last wie z. B. einem Motor verbunden ist, wandern ionisierte Elemente in der negativen Elektrode 12, welche Lithium umfassen, zu der gegenüberliegenden Elektrode, der positiven Elektrode 14. Die Ionen (Lithium) bewegen sich durch den Elektrolyt und den Separator 16. Die an der positiven Elektrode 14 eintreffenden Ionen kombinieren sich mit Elektronen, die von der negativen Elektrode stammen. Die Elektronen fließen durch den äußeren Kreis, der die Last umfasst. Während des Aufladens wird Strom in die Zelle hinein gezwungen, um den Prozess umzukehren.
Wenn kein Festelektrolyt verwendet wird, dann wird ein Separator verwendet. Der Separator 16 ist typischerweise eine poröse Platte, die zwischen der negative Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 in einer Flüssigelektrolyt-, einer Gelelektrolyt- oder einer Salzschmelzen-Batterie angeordnet ist. Der Separator 16 besitzt die Funktion, einen physikalischen Kontakt der positiven und negativen Elektrode 12, 14 zu verhindern, während er als ein Elektrolytreservoir dient, um einen freien Ionentransport zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen kann der Separator 16 eine mikroporöse Membran und einen Vliesstoff umfassen. Die mikroporöse Membran umfasst Mikroleerräume, während auch die Fasern des Vliesstoffes zahlreiche Leeräume bilden. Die mikroporöse Membran kann typischerweise eine Dicke von etwa 25 μm oder weniger, eine kleine Porengröße von weniger als 1 μm und eine Porosität von ungefähr 40% aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Vliesstoff eine Dicke im Bereich von etwa 80–30 μm, eine große Porengröße von 10–50 μm und eine Porosität von 60–80% aufweisen.
Sowohl natürliche als auch synthetische Polymere können als Separatormaterial verwendet werden. Natürliche Materialien können Zellulose und deren chemisch modifizierte Derivate umfassen. Synthetische Polymere umfassen Polyolefine, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polyvinylalkohol, Polyester, Polyvinylchlorid, Nylon, Poly(ethylenterephthalat) und dergleichen. Der Separator 16 selbst nimmt an keinerlei elektrochemischen Reaktionen teil, seine Eigenschaften beeinflussen jedoch die Energiedichte, Leistungsdichte und Zyklenfestigkeit.
Sowohl die negative Elektrode 12 als auch die positive Elektrode 14 umfassen typischerweise ein aktives Material 28 leitende Verdünnungsmittel und ein Bindemittel 30. Sowohl die negative Elektrode 12 als auch die positive Elektrode 14 umfassen Materialien, in die hinein und aus denen heraus Lithium wandern kann. Der Prozess der Lithiumbewegung von der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 wird als Einbau oder Interkalation bezeichnet und der umgekehrte Prozess, in dem sich Lithium aus der negativen Elektrode 12 oder positiven Elektrode 14 heraus bewegt, wird als Entzug oder Deinterkalation bezeichnet. Wenn sich die Zelle entlädt, tritt das Lithium spontan von der negativen Elektrode 12 aus und reagiert mit der positiven Elektrode 14. Wenn sich die Zelle lädt, findet der umgekehrte Prozess statt: Lithium wird aus der positiven Elektrode 14 herausgezogen und in die negative Elektrode 12 eingebaut.
Es kann eine Vielfalt von aktiven Materialien in der positiven Elektrode 14 verwendet werden, welche Kobaltdioxid, Nickel-Kobalt-Mangan, Nickel-Kobalt-Aluminium, Manganoxid-Spinell, Eisenphosphat, intermetallische Manganphosphatverbindungen von aktiven und inaktiven Komponenten oder Metallfluoride umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Die negative Elektrode 12 kann Lithium, Kohlenstoff, Silizium oder ein Metall umfassen, das mit Lithium eine Legierung bildet, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zumindest eine von der negative Elektrode 12 oder der positive Elektrode 14 kann gemäß einer Ausführungsform auch elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln 32 umfassen. Die elektrisch leitfähigen Mikrohohlkugeln 32 können elektrisch leitfähige Polymere, ein Polymer mit elektrisch leitfähigen Partikeln darin, die Graphit und Silizium umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, oder einer Polymerbeschichtung mit einem elektrisch leitfähigen Material umfassen. Die elektrisch leitfähigen Polymere können halbleitende und metallische „organische” Polymere auf der Basis von sp²-hybridisierten linearen Kohlenstoffketten umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispiele für elektrisch leitfähige Polymere umfassen Poly(acetylen), Poly(pyrrol), Poly(thiophen), Poly(anilin), Poly(fluor), Poly(3-alkylthiophen), Poly(tetrathiafulvalen), Poly(naphthalen), Poly(p-phenylensulfid), Poly(para-phenylenvinylen) und Derivate davon, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Alternativ können isolierende Polymere durch den Einschluss von elektrisch leitfähigen Materialien wie z. B., Partikel, welche Graphit, Nickel, Kupfer, Silber, Gold umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt, elektrisch leitfähig gemacht werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform können die Mikrohohlkugeln durch Abscheiden einer Einzellage oder mehrerer Lagen von einatomigen Materialien wie z. B. Platin, Silber, Gold, Platin, Palladium oder Ruthenium; oder mehratomigen Lagen davon elektrisch leitfähig gemacht werden. Es kann auch Graphit auf den Mikrohohlkugeln abgeschieden sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Dicke der leitfähigen Beschichtung im Bereich von 1 Atom oder 2 Atomen bis 10 Atomen liegen oder die Dicke kann im Bereich von etwa mehreren Angström bis etwa mehreren Nanometern liegen.
Die Mikrohohlkugeln können durch ein beliebiges vieler verschiedener Verfahren hergestellt sein. In einem Fall kann eine Polymerlösung durch eine Nadel in einer Luftdüse gezwungen werden, die einen Sprühnebel von mit Luft gefüllten Kapseln produziert, welche in einem Bad, z. B. wässrigem CaCl₂, gehärtet werden können. In einem anderen Fall können durch Koextrusion von Gas und Flüssigkeit Gasblasen mittels eines Dreifachzylinderkopfes in Kapseln eingebracht werden, wobei Luft in einem zentralen Kapillarrohr eingespritzt wird, während eine Polymerlösung durch ein größeres Rohr gezwungen wird, das mit dem Kapillarrohr koaxial angeordnet ist, und Luft darum herum strömen gelassen wird, wobei ein Dorn das zweite Rohr umgibt. In einem noch anderen Fall kann Gas entweder mithilfe einer Homogenisiervorrichtung oder durch Ultraschallbehandlung vor dem Sprühen in der Polymerlösung eingeschlossen werden. Die produzierten Mikrohohlkugeln können viele verschiedene Durchmesser aufweisen, die einen Durchmesser im Bereich von 30–100 μm umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Beispielhafte Ausführungsformen von Elektrodenbindemitteln umfassen Fluorpolymere wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 kann zumindest eine von der negativen Elektrode 12 oder der positiven Elektrode 14, die ein aktives Material 28 in einem Bindemittel 30 umfasst, mit Mikrohohlkugeln 32 verwendet werden. Wie in 2 gezeigt, besitzen die Mikrohohlkugeln, wenn die negative Elektrode 12 oder die positive Elektrode 14 keine wesentliche Menge von darin eingebauten Lithiumionen umfasst, eine erste Konfiguration oder Form, in der die Mikrohohlkugeln nicht zusammengedrückt sind. Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 sind die Mikrohohlkugeln 32, wenn ein Lithiumion in die negative Elektrode oder die positive Elektrode mit den Mikrohohlkugeln 32 darin eingebaut wird, ausreichend flexibel und werden in eine zweite Konfigurationsform zusammengedrückt, um den Einbau des Lithiums zu bewerkstelligen, sodass die negative Elektrode oder die positive Elektrode durch den Einbau des Lithiums keinen Schaden nimmt. Wenn die Lithiumionen aus der Elektrode heraus wandern, sind die Mikrohohlkugeln 32 ausreichend elastisch, um in die erste Form oder im Wesentlichen die erste Form zurückzukehren. Die Elastizität der Mikrohohlkugeln kann durch ein darin eingeschlossenes Gas erhöht sein. In einer Ausführungsform weist das aktive Material eine viel größere Lithiumeingelagerungskapazität auf als Kohlenstoff, was die Verwendung der Mikrohohlkugeln sehr vorteilhaft macht. Ein solches Material kann Silizium umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei die Ausdehnung der Siliziumpartikel beim Lithiumeinbau zu Li_3,75 etwa 300% beträgt, wohingegen die Ausdehnung von Kohlenstoff beim Lithiumeinbau zu Li_1/6C 10% beträgt.
In einer Ausführungsform kann der anteilsmäßige Gewichtsbereich der Mikrohohlkugeln in einer Elektrode 12, 14, die ein aktives Material 28 (ohne Li) in dem Bindemittel 28 umfasst, von etwas weniger als einem Prozent bis zu etwa mehreren Prozent reichen. Der Gewichtsanteil des aktiven Materials 28 (ohne Li) kann im Bereich von etwas mehr als 70% bis zu etwa beinahe 100% liegen.
Die Lithium-Ionen-Batterie kann ein/e Elektrolytflüssigkeit oder -gel umfassen. Elektrolytaktive Spezies können ein Lithiummetallsalz in einem Lösungsmittel umfassen. Typische Lithiumsalze umfassen Salze der Formel LiX, wobei X ein Anion wie z. B. CLO₄-, BF₄-, PF₆-, AsF₆-, SbF₆-, CH₃CO₂-, CF₃SO₃-, C(CF₃SO₂)₂-, C(CF₃SO₂)₂- und Kombinationen davon ist, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielhafte Lösungsmittel umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und γ-Butrylactori (GBL). Die Konzentration von Lithiumsalz in dem Elektrolyt kann im Bereich von 0,5–1,5 M liegen. ist jedoch nicht darauf beschränkt.
In einer weiteren Anwendung können die elektrisch leitfähigen Mikrohohlkugeln in der negativen Elektrode 40 und/oder der positiven Elektrode 42 einer Brennstoffzelle umfasst sein. Brennstoffzellen, die eine Membran 44 verwenden, die hydratisiert werden muss, durchlaufen während der Lebensdauer der Brennstoffzelle viele Male einen Hydratisierungs/Trocknungszyklus, wobei die Membran, die benachbart zu der Anodenelektrode 40 und Kathodenelektrode 42 positioniert ist, aufquillt und sich zusammenzieht. Diese Bewegung kann bewirken, dass die negative Elektrode 40 und die positive Elektrode 42 reißen. Die Membran, kann in diesem Riss während des nachfolgenden Hydratisierungs/Trocknungszyklus eingeklemmt werden, was gelegentlich die Ausbildung von Poren an der Membran zur Folge hat, die bewirken, dass die Zelle ausfällt. Der Einschluss von Mikrohohlkugeln kann die Elektrodenrissbildung und Membranporenbildung reduzieren oder eliminieren. Die Mikrohohlkugeln können mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet sein. In einer Ausführungsform kann das elektrisch leitfähige Material auch ein Katalysator wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf Platin, Palladium oder Ruthenium sein. Jede von der negativen Elektrode 40 oder der positiven Elektrode 42 der Brennstoffzelle kann auch ein Ionomer-Bindemittel und den Zusatz eines Träger- oder trägerfreien Katalysators umfassen.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur und Varianten davon sind daher nicht als Abweichung von dem Geist und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, welches umfasst: eine erste Elektrode mit einer eingebetteten, zusammendrückbaren, ihre Form ändernden Komponente, die gebaut und eingerichtet ist, um sich in der Größe zu verringern oder die Form zu ändern, um den Einbau von Lithium in die Elektrode zu bewerkstelligen und dadurch die Elektrodenausdehnung zu reduzieren.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die Komponente elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln umfasst.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähigen Mikrohohlkugeln ein Polymer und elektrisch leitfähige Partikel umfassen, die durch das gesamte Polymer hindurch verteilt sind.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die elektrisch leitfähigen Mikrohohlkugeln eine Polymerschale und eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material über der Schale umfassen.
Produkt nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitfähige Schicht zumindest eines von Graphit, Nickel, Silizium, Gold, Aluminium, Silber, Kupfer, Platin, Palladium oder Ruthenium umfasst.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die Mikrohohlkugeln ein darin eingeschlossenes Gas umfassen.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die Mikrohohlkugeln eine erste Form aufweisen, wenn im Wesentlichen keine Lithiumionen in der Elektrode vorhanden sind, und wobei die Mikrohohlkugeln eine ausreichende Flexibilität aufweisen, sodass beim Einwandern von Lithiumionen in die Elektrode die Mikrohohlkugeln zu einer zweiten Form zusammengedrückt werden und beim Wandern der Lithiumionen aus der Elektrode heraus die Mikrohohlkugeln eine ausreichende Elastizität aufweisen, um in die erste Form oder im Wesentlichen die erste Form zurückzukehren.
Produkt nach Anspruch 2, wobei die Mikrohohlkugeln eine Polymerschale und einen Katalysator über der Schale umfassen.
Produkt nach Anspruch 8, wobei der Katalysator zumindest eines von Platin, Palladium oder Ruthenium umfasst.
Produkt, welches umfasst: eine erste Elektrode mit einem aktiven Material, welches zumindest eines von Kohlenstoff oder Silizium und elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln umfasst; eine zweite Elektrode mit einem aktiven Material, das zumindest eines von Kobaltdioxid, Nickel-Kobalt-Mangan, Nickel-Kobalt-Aluminium, Manganoxid-Spinell, Eisenphosphat, intermetallischen Manganphosphatverbindungen von aktiven und inaktiven Komponenten oder Metallfluoriden und elektrisch leitfähige Mikrohohlkugeln umfasst; einen isolierenden porösen Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist und gebaut und eigerichtet ist, um einen Durchgang von Lithiumionen dadurch zuzulassen; einen Elektrolyt, um die Bewegung von Lithiumionen von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode, und von der zweiten Elektrode zurück zu der ersten Elektrode zu erleichtern; wobei die elektrisch leitfähigen Mikrohohlkugeln einer jeden von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine erste Form in der Elektrode aufweisen, wenn keine Lithiumionen in der Elektrode vorhanden sind, und eine ausreichende Flexibilität aufweisen, um beim Einwandern von Lithiumionen in die Elektrode zusammengedrückt zu werden, und eine ausreichende Elastizität aufweisen, um beim Wandern der Lithiumionen aus der Elektrode heraus in die erste Form zurückzukehren.