DE102011079662A1

DE102011079662A1 - Separator für einen Energiespeicher und Energiespeicher

Info

Publication number: DE102011079662A1
Application number: DE102011079662A
Authority: DE
Inventors: Marcus Wegner; Jean Fanous; Jens Grimminger; Martin Tenzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-01-24
Also published as: US20140234692A1; JP2014523630A; US10673043B2; CN103688388B; JP5859122B2; CN103688388A; WO2013013867A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator (1) für einen Energiespeicher (2). Der erfindungsgemäße Separator (1) ist insbesondere in einer Lithium-Schwefel-Batterie einsetzbar. Um eine verbesserte Zyklenstabilität zu erzielen, umfasst der Separator (1) wenigstens eine erste Lage (5) und wenigstens eine zweite Lage (6, 7), wobei die wenigstens eine erste Lage (5) ein Material umfasst, welches eine bezüglich wenigstens eines Elektroden-Aktivmaterials affine Eigenschaft aufweist, und wobei die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) ein Material umfasst, welches eine bezüglich eines Elektroden-Aktivmaterials abweisende Eigenschaft aufweist. Dabei können die wenigstens eine erste Lage (5) und die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) insbesondere unmittelbar benachbart angeordnet sein. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen den erfindungsgemäßen Separator (1) umfassenden Energiespeicher (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator für einen Energiespeicher. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Separator für eine Lithium-Schwefel-Batterie mit einer verbesserten Zyklenstabilität, und eine Lithium-Schwefel-Batterie umfassend den Separator.
Stand der Technik
Sekundärbatterien weisen ein großes Potential für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten auf. Dabei können etwa Sekundärbatterien, welche auf dem Redoxpaar Lithium/Schwefel basieren, aufgrund der hohen spezifischen Kapazität von Schwefel besonders bevorzugt sein. Für eine Vielzahl von Anwendungen kann dabei jedoch insbesondere die Zyklenstabilität derartiger Energiespeicher noch Verbesserungspotential aufweisen.
So ist es beispielsweise für Lithium/Schwefel-Batterien bekannt, dass diese unter Umständen einen sogenannten Shuttle-Mechanismus aufweisen. Dieser basiert im Wesentlichen auf unterschiedlichen Löslichkeiten von entstehenden Lithium-Schwefel-Spezies. Im Detail beinhaltet die in derartigen Batterien ablaufende Gesamtreaktion Li + S₈ ↔ Li₂S mehrere Polysulfid-Zwischenstufen mit einer Schwefel-Kettenlänge zwischen drei und acht. Diese sind in gängigen Elektrolytsystemen gut löslich. Die Reaktionsprodukte Li₂S₂ und Li₂S hingegen sind fast unlöslich in vielen Lösungsmitteln beziehungsweise Elektrolytsystemen.
Aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der Polysulfide diffundieren längerkettige Polysulfide zu der metallischen Lithium-Anode, wo sie direkt mit dem Lithium reagieren und reduziert werden. Die dabei entstehenden mittel- und kurzkettigen Polysulfide können wiederum zur Kathode diffundieren und dort wieder zu längerkettigen Polysulfiden oxidiert werden, oder auch mit vorhandenen Schwefel-Spezies mit einer höheren Schwefel-Oxidationsstufe eine Komproportionierungsreaktion eingehen. Bei der Reaktion mit Lithium an der Anode kann es beispielsweise zur Bildung von unlöslichen Sulfidspezies kommen, welche an der Anode ausfallen können. Ein schneller Polysulfid-Shuttle kann darüber hinaus auch eine vollständige Wiederaufladung der Zelle erschweren oder verhindern.
Aus dem Dokument US 7,282,296 B1 sind Separatoren und Elektrodenstrukturen bekannt, um insbesondere aktive Metallanoden vor schädlichen Reaktionen mit Luft, Feuchtigkeit oder anderen Batteriekomponenten zu schützen. Der Separator soll dabei einen hohen Grad an ionischer Leitfähigkeit aufweisen, um die Herstellung zu vereinfachen und die Leistungsfähigkeit der Batterie zu verbessern. Dabei umfasst der Separator zwei Schichten unterschiedlicher chemischer Kompatibilität. Die erste Schicht liegt direkt an der Anode an und ist chemisch kompatibel zu der Anode. Sie bildet daher mit einer weiteren Komponente der Batterie, der Umgebung, oder der Anode selbst keine für die Batterie schädliche Verbindung. Die zweite Lage ist im Wesentlichen undurchlässig für weitere Komponenten der Batterie, wie etwa dem Elektrolyt, und der Umgebung und verhindert so einen Kontakt der Batterie mit diesen Komponenten. Die zweite Lage ist dabei zu der ersten Lage chemisch kompatibel.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Separator für einen Energiespeicher, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend wenigstens eine erste Lage und wenigstens eine zweite Lage, wobei die wenigstens eine erste Lage ein Material umfasst, welches eine bezüglich wenigstens eines Elektroden-Aktivmaterials affine Eigenschaft aufweist, und wobei die wenigstens eine zweite Lage ein Material umfasst, welches eine bezüglich eines Elektroden-Aktivmaterials abweisende Eigenschaft aufweist, wobei die wenigstens eine erste Lage und wobei die wenigstens eine zweite Lage insbesondere unmittelbar benachbart angeordnet sind.
Ein Separator kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Mittel zum Trennen einer Anode und einer Kathode in einem Energiespeicher sein. Dabei kann der Separator insbesondere verhindern, dass ungewollt Aktivmaterial von der Anode zur Kathode und vor allem von der Kathode zur Anode gelangt. Darüber hinaus kann der Separator dazu dienen, die Anode und die Kathode elektrisch voneinander zu trennen.
Ein Aktivmaterial kann ferner insbesondere ein Material sein, welches einem Energiespeicher seine eigentliche Funktionalität verleiht beziehungsweise für die Funktion eines Energiespeichers benötigt wird. Dabei kann das Aktivmaterial etwa in einem geladenen Zustand des Energiespeichers vorliegen und durch elektrochemische Prozesse während des Entladevorgangs abgebaut werden. Alternativ kann das Aktivmaterial während eines Entladevorgangs gebildet werden, so dass es in einem entladenen Zustand des Energiespeichers vorliegen kann. Darüber hinaus kann unter einem Aktivmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Material verstanden werden, welches eine aus einem in der Anode und/oder Kathode angeordneten Material durch während eines Lade- und/oder Entladevorgangs stattfindende elektrochemische Prozess gebildete Zwischenstufe ist. Für den Fall einer Lithium-Schwefel-Batterie beispielsweise können unter dem Aktivmaterial in nur exemplarischer und nicht beschränkender Weise verschiedene Lithiumsulfid-Spezies beziehungsweise Polysulfid-Spezies verstanden werden.
Der Separator weist erfindungsgemäß wenigstens eine erste Lage und wenigstens eine zweite Lage auf. Unter einer Lage kann im Sinne der Erfindung insbesondere jede geeignete Schicht verstanden werden. Dabei kann der Separator wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite, also insgesamt wenigstens zwei Lagen aufweisen, oder aber bevorzugt eine Mehrzahl an Lagen.
Gemäß der Erfindung umfasst die erste Lage ein Material oder besteht aus diesem, welches eine bezüglich wenigstens eines Elektroden-Aktivmaterials affine Eigenschaft aufweist. Das kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass die erste Lage bezüglich des wenigstens einen Aktivmaterials Anziehungskräfte aufweist. Insbesondere können affine Eigenschaften das Bestreben umfassen, eine Bindung, beispielsweise sterisch, kovalent oder elektrostatisch, einzugehen. Folglich kann insbesondere von einer leichten Anziehungskraft bis hin zu einer kovalenten Bindung jeder Zustand umfasst sein. Dadurch kann das Aktivmaterial in der ersten Lage immobilisiert werden. Die zweite Lage umfasst ferner ein Material oder besteht aus diesem, welches eine bezüglich eines Elektroden-Aktivmaterials abweisende Eigenschaft aufweist. Unter einer abweisenden Eigenschaft kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden, dass eben keine Affinität vorliegt, sondern beispielsweise Abstoßungskräfte vorliegen. Dies kann beispielsweise ebenfalls durch elektrostatische Kräfte realisiert werden. Darüber hinaus ist von abweisenden Eigenschaften im Sinne der vorliegenden Erfindung ebenfalls eine Undurchlässigkeit für das Aktivmaterial umfasst. Dies kann beispielsweise durch das Vorsehen einer zweiten Lage geschehen, die keine Poren oder Durchgangskanäle oder Ähnliches aufweist, durch welche das Aktivmaterial gelangen kann. Folglich kann die zweite Lage für das Aktivmaterial nicht permeabel sein. Die zweite Lage kann somit eine Barriere, wie etwa eine Diffusionsbarriere, für das Aktivmaterial ausbilden.
Die wenigstens eine erste Lage und die wenigstens eine zweite Lage können dabei bevorzugt unmittelbar benachbart angeordnet sein. Das kann im Sinne der Erfindung insbesondere bedeuten, dass die wenigstens zwei Lagen ohne das Vorsehen einer Zwischenschicht vorgesehen sind, also unmittelbar aneinander grenzen.
Durch den erfindungsgemäßen Separator kann deutlich reduziert oder sogar vollkommen verhindert werden, dass Aktivmaterial ungewollt beispielsweise von der Kathode zur Anode gelangt, oder umgekehrt. Dadurch kann etwa bei einer Lithium-Schwefel-Batterie insbesondere dem Shuttle-Mechanismus wirksam entgegengewirkt werden.
Dadurch kann etwa die Effektivität eines Lade- und/oder Entladevorgangs effektiver gestaltet werden und ferner der Verlust an Aktivmaterial durch unlösliche Niederschläge reduziert oder vollkommen verhindert werden. Darüber hinaus kann etwa für den Fall einer Lithium-Schwefel-Batterie eine vollständige Oxidation von Polysulfiden in elementaren Schwefel sichergestellt werden, was eine Verbesserung der Kapazität bewirkt.
Durch den erfindungsgemäßen mehrlagigen Aufbau aus insgesamt wenigstens zwei Lagen kann eine retentive Wirkung dabei besonders wirksam gestaltet werden. Im Detail kann beispielsweise durch die zweite Lage ein Wandern des Aktivmaterials bereits deutlich reduziert oder sogar gänzlich verhindert werden. Für den Fall, dass trotz der Ausgestaltung der zweiten Lage mit bezüglich des Aktivmaterials einer abweisenden Eigenschaft Aktivmaterial die zweite Lage durchdringt, wird dieses von der ersten Lage angezogen und verbleibt in dieser. Auf diese Weise kann selbst bei einem Durchtritt von Aktivmaterial durch die zweite Lage ein Wandern zu der Gegenelektrode weiter reduziert werden. Alternativ kann das Aktivmaterial zunächst in der ersten Lage immobilisiert werden, wodurch ein Durchtritt durch die zweite Lage weiter erschwert wird. Folglich kann die Retention des Aktivmaterials gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weiter reduziert werden.
Darüber hinaus kann der Separator über eine nahezu unbegrenzte Zyklendauer stabil bleiben. Dadurch kann auch die Retention des Aktivmaterials über eine große Zyklenzahl stabil bleiben, was die Langzeitstabilität des Separators an sich und ferner eines mit dem Separator ausgestatten Energiespeichers verlängert.
Weiterhin kann ein Separator gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Form und Gestalt der einzelnen Lagen in nahezu unbegrenzten Ausführungen hergestellt werden, so dass der Separator gemäß der Erfindung für eine Vielzahl an Anwendungsgebiete anpassbar beziehungsweise für diese nutzbar ist. Dadurch weist auch ein mit dem erfindungsgemäßen Separator ausgestatteter Energiespeicher eine Vielzahl an Anwendungsgebieten auf.
Dabei ist grundsätzlich frei wählbar, in welcher Ausrichtung die Lagen angeordnet sind. Es kann jedoch bevorzugt sein, dass die zweite Lage zu der Elektrode ausgerichtet ist, dessen Aktivmaterial aufgehalten werden soll. So kann für den Fall einer Lithium-Schwefel-Batterie beispielsweise die zweite Lage in Richtung der Kathode ausgerichtet sein, wohingegen die erste Lage in Richtung der Anode ausgerichtet sein kann. In diesem Fall wird das Aktivmaterial in der räumlichen Umgebung der Kathode gehalten, was die Kapazität weiter verbessern kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Separator eine Anzahl von 3 + 2n Lagen aufweisen, wobei die 3 + 2n Lagen bezüglich der ersten und der zweiten Lage alternierend angeordnet sein können. Insgesamt lässt sich der erfindungsgemäße Separator somit in besonders vorteilhafter Weise auf mehr als zwei Lagen ausdehnen. Im Sinne der Erfindung können in dieser Ausgestaltung neben dem Vorsehen zweier Lagen, einer ersten Lage und einer zweiten Lage, insbesondere drei oder mehr als drei Lagen vorgesehen sein. Dies kann in besonders vorteilhafter Weise realisiert werden, indem die Lagenanordnung stets um eine erste Lage mit bezogen auf das Aktivmaterial affinen Eigenschaften und eine zweite Lage mit bezogen auf das Aktivmaterial abweisenden Eigenschaften erweitert wird. Folglich sind stets 3 + 2n Lagen vorhanden, wobei n null oder jede ganze Zahl sein kann (n = 0, 1, 2, 3 ...). Da in dieser Ausgestaltung stets eine ungerade Anzahl an Lagen vorgesehen ist, kann ferner bevorzugt jeweils eine zweite Lage mehr vorhanden sein als erste Lagen vorhanden sind. In dieser Ausgestaltung kann somit eine Vielzahl an Lagen vorgesehen sein, welche stets eine wirksame Barriere für das Aktivmaterial bilden, oder aber das Aktivmaterial anziehen. Dadurch kann besonders wirksam verhindert werden, dass Aktivmaterial von einer Elektrode zu der Gegenelektrode wandert.
Darüber hinaus lässt sich insbesondere in dieser Ausgestaltung bei dem Vorsehen von drei oder mehr Lagen erreichen, dass in einer Ausgestaltung eine erste Lage zwischen zwei zweiten Lagen angeordnet sein kann. In dieser Ausgestaltung kann eine wirksame Einhausung beziehungsweise ein Käfig für das Aktivmaterial geschaffen werden, in der beziehungsweise dem das Aktivmaterial immobilisiert wird. Im Detail wird das Aktivmaterial nicht nur durch eine bezüglich des Aktivmaterials affine Lage angezogen beziehungsweise gebunden. Es wird darüber hinaus zusätzlich durch die beiden, die erste Lage begrenzenden zweiten Lagen von einem Austritt aus der ersten Lage gehindert. Folglich kann ein ungewolltes Wandern des Aktivmaterials, etwa von der Kathode zur Anode, in dieser Ausgestaltung noch wirksamer verhindert werden. Eine derartige Ausgestaltung ist dabei sowohl bei dem Vorsehen von nur drei Lagen, als auch bei dem Vorsehen einer Vielzahl von ersten beziehungsweise von zweiten Lagen möglich. Insbesondere bei mehr als drei Lagen kann in dieser Ausgestaltung ein Durchtritt von Aktivmaterial besonders effektiv verhindert werden, da sich eine Vielzahl an Einhausungen für das Aktivmaterial bildet. Selbst wenn das Aktivmaterial somit eine Einhausung durchdringen sollte, kann es in einer benachbarten Einhausung sicher immobilisiert werden. Diese Ausgestaltung ist dabei grundsätzlich bei jeder geeigneten Lagenkombination beziehungsweise Lagenanordnung ausbildbar. Darüber hinaus kann nur eine erste Lage oder eine beliebige Anzahl an ersten Lagen zwischen zwei zweiten lagen angeordnet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Separator einen insbesondere in der wenigstens einen ersten Lage angeordneten Leitzusatz aufweisen. Durch das Vorsehen eines Leitzusatzes kann einem Kapazitätsverlust durch sich in der ersten Lage sammelndes Aktivmaterial entgegengewirkt werden. Im Detail steht Aktivmaterial, welches insbesondere in der ersten Lage immobilisiert beziehungsweise dort positioniert ist, grundsätzlich zunächst als aktive Elektrodenkomponente für eine Funktion eines Energiespeichers nicht mehr zur Verfügung. Da Aktivmaterial zwar beispielsweise nicht zur Anode gelangt, aber auch, für den Fall, dass es nicht von selbst zur Kathode wandern kann, nicht mehr zur Kathode, könnte dieser Zustand unter Umständen einen Verlust an Aktivmaterial und damit gegebenenfalls einen Kapazitätsverlust eines mit dem erfindungsgemäßen Separator ausgestatteten Energiespeichers hervorrufen. Dieser Effekt kann in dieser Ausgestaltung wirksam verhindert werden. Somit kann eine elektrische Kontaktierung der Separatorlagen und damit des Aktivmaterials erreicht werden.
Ein Leitzusatz kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein elektrisch Leitfähiges Material, wie etwa Graphit oder Ruß, sein. Dieses kann bevorzugt in der wenigstens einen ersten Lage angeordnet sein, da insbesondere hier eine erhöhte Konzentration an Aktivmaterial zu erwarten ist. Aber auch in der wenigstens einen zweiten Lage kann der Leitzusatz von Nutzen sein, um eine Kontaktierung zu ermöglichen. Diese Kontaktierung erlaubt dabei die elektrochemische Oxidation und Reduktion des in der Lagenstruktur immobilisierten Aktivmaterials. Dadurch bleibt die Kapazität eines Energiespeichers stabil. Zweckmäßigerweise ist der Leitzusatz jedoch nicht in sämtlichen Lagen angeordnet, da sonst unter Umständen eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Kathode zu einem Kurzschluss führen könnte. Zumindest eine Lage kann ohne einen Leitzusatz ausgestaltet sein. Dabei kann es bevorzugt sein, wenn die zu einer Anode ausrichtbare Lage, also insbesondere eine Endlage, keinen Leitzusatz aufweist. In diesem Fall kann das Aktivmaterial weiterhin problemlos etwa mit der Kathode wechselwirken.
Dabei kann es bevorzugt sein, wenn der Leitzusatz in einer Menge von ≤ 20% vorliegt. In dieser Menge kann bereits eine ausreichende elektrochemische Anbindung der Lagenstruktur beziehungsweise des in der Lagenstruktur positionierten Aktivmaterials realisiert werden. Dabei können jedoch die affinen beziehungsweise abweisenden Eigenschaften bezüglich des Aktivmaterials im Wesentlichen beibehalten werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine erste Lage eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm, aufweisen, und/oder kann die wenigstens eine zweite Lage eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm, aufweisen. Derartige Dicken sind ausreichend, um eine wirkungsvolle Barriere beziehungsweise einen ausreichend dimensionierten Aufnahmebereich zu schaffen. Darüber hinaus ist eine große Kompaktheit des Separators gegeben, wodurch der erfindungsgemäße Separator insbesondere in dieser Ausgestaltung für eine Vielzahl an auch kompakten Anwendungsgebieten einsetzbar ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine erste Lage ein Polymer mit wenigstens einem Heteroatom umfassen oder aus diesem bestehen, und/oder kann die zweite Lage ein mit anionischen und/oder negativ polarisierten Gruppen funktionalisiertes Polymer umfassen oder aus diesem bestehen. Bezüglich des Materials für die erste Lage sind Polymere mit wenigstens einem insbesondere als einzelnes Atom in die Molekülstruktur eingebautem Heteroatom besonders geeignet, da sie eine besonders starke Affinität etwa zu Polysulfiden aufweisen. Diese Materialien sind daher insbesondere für einen Einsatz in Lithium-Schwefel-Batterien von Vorteil. Dabei kann das Heteroatom frei wählbar sein. Nicht beschränkende Beispiele umfassen Sauerstoff oder Schwefel. Ein beispielhaftes Polymer für die erste Lage umfasst etwa Polyethylenoxid oder ein Derivat hiervon. Ein Derivat kann hier insbesondere eine auf Polyethylenoxid basierendes beziehungsweise ein Polyethylenoxid enthaltendes Material bedeuten. Bezüglich des Materials für die zweite Lage können mit anionischen und/oder negativ polarisierten Gruppen funktionalisierte Polymere bevorzugt sein. Dabei können derartige Polymere insbesondere anionische Gruppen oder negativ polarisierte Gruppen aufweisen, deren negative Ladung oder Polarisierung über einen großen Molekülbereich lokalisiert ist. Folglich kann es sich hier insbesondere um Polymere handeln, die eine konjugierte negative Ladung oder Polarisierung aufweisen. Derartige Polymere können eine ausreichend hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit durch eine nur geringe Wechselwirkung mit den Lithium-Ionen erzielen. Darüber hinaus bieten derartige Polymere aufgrund der insbesondere delokalisierten negativen Ladung beziehungsweise negativen Polarisierung elektrostatische Abstoßungskräfte zu den entsprechenden Sulfidspezies, wodurch eine Barrierewirkung ohne eine negative Beeinflussung des Lithium-Ionen-Transports erzeugt wird. Beispiele für anionisch funktionalisierte Polymere sind Polystyrol oder Derivate hiervon, wie etwa Polystyrolsulfonate, 4-Halogen-Polystyrol, wobei das Halogen Brom, Iod oder Chlor sein kann, 4-Nitro-Polystyrol, 4-Hydroxy-Polystyrol, 2,6-Dihydroxy-4-Nitro-Polystyrol, oder geeignete Kombinationen hiervon.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die wenigstens eine erste Lage und/oder die wenigstens eine zweite Lage porös sein, um einen insbesondere flüssigen Elektrolyten aufzunehmen. Ein geeignetes Elektrolytsystem umfasst beispielsweise 1,3-Dioxylan (DOL) und Dimethoxyethan (DME) in Lithium-bis-trifluoromethylsulfonyl-imid (LiTFSI). In dieser Ausgestaltung kann der Separator somit einen geeigneten Elektrolyten aufnehmen, so dass eine gute ionische Leitfähigkeit erreicht werden kann. Dabei ist es nicht notwendig, bei der Wahl der Materialien der ersten beziehungsweise der zweiten Lage die ionischen Leitfähigkeitseigenschaften zu beachten. Die Wahl der entsprechenden Materialien kann vielmehr auf die Wechselwirkung mit dem Aktivmaterial gerichtet werden. In dieser Ausgestaltung kann der Separator somit besonders wirksam sein. Geeignete Porositäten können dabei in einem Bereich von ≥ 20 % bis ≤ 90 %, insbesondere von ≥ 30 % bis ≤ 70 % liegen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Energiespeicher, insbesondere eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend wenigstens einen erfindungsgemäßen Separator. Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher weist insbesondere die mit Bezug auf den Separator beschriebenen Vorteile auf. Im Detail weist ein erfindungsgemäßer Energiespeicher insbesondere ein verbessertes Zyklenverhalten und eine verbesserte Langlebigkeit auf.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher angeordneten erfindungsgemäßen Separators;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher angeordneten erfindungsgemäßen Separators; und
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Energiespeicher angeordneten erfindungsgemäßen Separators.
In 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Separators 1 gezeigt. Der Separator 1 kann insbesondere in einem Energiespeicher 2 angeordnet sein. Der Energiespeicher 2 kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Er kann Anwendung finden in elektrischen Werkzeugen, Computern, Hybrid-Fahrzeugen, rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen oder anderen Arten von mobilen oder stationären Anwendungen, bei denen insbesondere Energiespeicher 2 mit hoher spezifischer Energie von Vorteil sind.
Der Energiespeicher 2 kann eine Anode 3 und eine Kathode 4 aufweisen. Die Anode 3 und die Kathode 4 sind dabei insbesondere in Abhängigkeit der Art des Energiespeichers 2 ausgebildet und können ein geeignetes Aktivmaterial umfassen. Für den Fall einer Lithium-Schwefel-Batterie beispielsweise kann die Anode etwa aus metallischem Lithium ausgebildet sein. Die Kathode 4 kann ferner eine Kathodenmatrix ausbilden, die typischerweise Schwefel, einen Leitzusatz, wie etwa Graphit, Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern oder andere elektrisch leitfähige Kohlenstoffspezies, sowie einen Binder, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), Zellulose-basierte Binder oder Teflon, umfasst. Ein Leitzusatz kann vorteilhaft sein, da sowohl elementarer Schwefel als auch Lithiumsulfid und Lithiumdisulfid elektrisch nicht leiten. Insbesondere die Kathode 4 weist dabei, für den Fall der Lithium-Schwefel-Zelle, je nach Ladungszustand des Energiespeichers 2, Polysulfide als Aktivmaterial auf.
Um beispielsweise ein Wandern von Aktivmaterial von der Kathode 4 zu der Anode 3 zu verhindern, umfasst der Separator 1 wenigstens eine erste Lage 5 und wenigstens eine zweite Lage 6, 7. Gemäß 1 sind zwei zweite Lagen 6, 7 vorgesehen. Dabei weist die wenigstens eine erste Lage 5 ein Material auf, welches eine bezüglich wenigstens eines Elektroden-Aktivmaterials, wie etwa eines oder einer Vielzahl von Polysulfiden, affine Eigenschaft aufweist. Demgegenüber weist die wenigstens eine zweite Lage 6, 7 ein Material auf, welches eine bezüglich eines Elektroden-Aktivmaterials, wie etwa eines oder einer Vielzahl von Polysulfiden, abweisende Eigenschaft aufweist. In 1 ist dabei zu erkennen, dass die wenigstens eine erste Lage 5 und die wenigstens eine zweite Lage 6, 7 unmittelbar benachbart angeordnet sein können. Darüber hinaus ist gemäß 1 die wenigstens eine erste Lage 5 jeweils zwischen zwei zweiten Lagen 6, 7 angeordnet.
Die wenigstens eine erste Lage 5 kann eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine zweite Lage 6, 7 eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm aufweisen. Dadurch ist das gewünschte Retentionsverhalten des Separators 1 besonders wirkungsvoll, wobei eine gute Kompaktheit gegeben ist.
Ferner kann die wenigstens eine erste Lage 5 ein Polymer mit wenigstens einem Heteroatom umfassen, und/oder die wenigstens eine zweite Lage 6, 7 ein mit anionischen Gruppen und/oder negativ polarisierten Gruppen funktionalisiertes Polymer umfassen. Bevorzugte Beispiele umfassen in nicht beschränkender Weise Polyethylenoxid oder ein Derivat hiervon für die wenigstens eine erste Lage 5, und Polystyrol oder ein Derivat hiervon für die wenigstens eine zweite Lage 6, 7.
Um unabhängig von der Wahl des Materials für die entsprechenden Lagen 5, 6, 7 eine gute Ionenleitfähigkeit durch den Separator 1 vorzusehen und damit eine leistungsstarke Funktion des Energiespeichers 2 zu ermöglichen, können die wenigstens eine erste Lage 5 und/oder die wenigstens eine zweite Lage 6, 7 porös sein, um einen insbesondere flüssigen Elektrolyten aufzunehmen. Dabei kann der gesamte Separator porös sein oder nur ein definierter Elektrolytbereich.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators 1 beziehungsweise des erfindungsgemäßen Energiespeichers 2 gezeigt. Der Separator 1 beziehungsweise der Energiespeicher 2 entspricht dabei im Wesentlichen dem in 1 Beschriebenen, so dass gleiche oder entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen beschrieben sind. Ferner sind die in 1 beschriebenen Merkmale des Separators 1 beziehungsweise Energiespeichers 2 in gleicher Weise für den Separator 1 beziehungsweise Energiespeicher 2 gemäß 2 möglich.
In der Ausführungsform gemäß 2 umfasst der Separator 1 insgesamt fünf Lagen. Dabei sind zwei erste Lagen 5 und 8 und ferner drei zweite Lagen 6, 7 und 9 vorgesehen. Wie auch in der Ausführungsform gemäß 1 weist in der Ausführungsform gemäß 2 der Separator 1 eine Anzahl von 3 + 2n Lagen auf, wobei die 3 + 2n Lagen bezüglich der ersten 5, 8 und der zweiten 6, 7, 9 Lage alternierend angeordnet sind.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Separators 1 beziehungsweise des erfindungsgemäßen Energiespeichers 2 gezeigt. Der Separator 1 beziehungsweise der Energiespeicher 2 entspricht dabei im Wesentlichen den in 1 und 2 Beschriebenen, so dass gleiche oder entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen beschrieben sind. Ferner sind die in 1 beschriebenen Merkmale des Separators 1 beziehungsweise Energiespeichers 2 in gleicher Weise für den Separator 1 beziehungsweise Energiespeicher 2 gemäß 3 möglich.
Gemäß 3 weist der Separator 1 einen Leitzusatz 10 auf. Der Leitzusatz 10 kann beispielsweise nur in der wenigstens einen ersten Lage 5 beziehungsweise in den mehreren ersten Lagen 5, 8 angeordnet sein. Ferner kann der Leitzusatz in jeder beliebigen Lage angeordnet sein. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn der Leitzusatz in der der Anode 3 zugewandten Lage 7 nicht vorgesehen ist.
Der Leitzusatz kann beispielsweise Graphit oder Ruß aufweisen oder aus den vorgenannten Materialien bestehen. Ferner kann der Leitzusatz 10 in einer Menge in einem Bereich von ≤ 20 % vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7282296 B1 [0005]

Claims

Separator für einen Energiespeicher (2), insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend wenigstens eine erste Lage (5) und wenigstens eine zweite Lage (6, 7), wobei die wenigstens eine erste Lage (5) ein Material umfasst, welches eine bezüglich wenigstens eines Elektroden-Aktivmaterials affine Eigenschaft aufweist, und wobei die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) ein Material umfasst, welches eine bezüglich eines Elektroden-Aktivmaterials abweisende Eigenschaft aufweist, wobei die wenigstens eine erste Lage (5) und die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) insbesondere unmittelbar benachbart angeordnet sind.
Separator nach Anspruch 1, wobei der Separator (1) eine Anzahl von 3 + 2n Lagen aufweist, und wobei die 3 + 2n Lagen bezüglich der ersten (5) und der zweiten (6, 7) Lage alternierend angeordnet sind.
Separator nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine erste Lage (5) zwischen zwei zweiten Lagen (6, 7) angeordnet ist.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Separator (1) einen insbesondere in der wenigstens einen ersten Lage (5) angeordneten Leitzusatz (10), insbesondere Graphit oder Ruß, aufweist.
Separator nach Anspruch 4, wobei der Leitzusatz (10) in einer Menge von ≤ 20% vorliegt.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wenigstens eine erste Lage (5) eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm aufweist, und/oder wobei die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) eine Dicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm, beispielsweise ≥ 10 µm bis ≤ 50 µm aufweist.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine erste Lage (5) ein Polymer mit wenigstens einem Heteroatom umfasst, und/oder wobei die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) ein mit anionischen Gruppen und/oder oder negativ polarisierte Gruppen funktionalisiertes Polymer umfasst.
Separator nach Anspruch 7, wobei die wenigstens eine erste Lage (5) Polyethylenoxid oder ein Derivat hiervon umfasst und/oder wobei die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) Polystyrol oder ein Derivat hiervon umfasst.
Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die wenigstens eine erste Lage (5) und/oder die wenigstens eine zweite Lage (6, 7) porös ist, um einen insbesondere flüssigen Elektrolyten aufzunehmen.
Energiespeicher, insbesondere Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend wenigstens einen Separator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.