DE102012200862A1

DE102012200862A1 - Batterie-Herstellung mittels Spincoating

Info

Publication number: DE102012200862A1
Application number: DE201210200862
Authority: DE
Inventors: Timm Lohmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-07-25
Also published as: WO2013110378A1; US20150104719A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, welches die Verfahrensschritte umfasst: a) Aufbringen einer Anodenschicht (2) auf eine Stromkollektorschicht (1); b) Gegebenenfalls Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht (3) auf die Anodenschicht (2); c) Aufbringen einer Polymerelektrolytschicht (4) auf die Festkörperionenleiterschicht (3) und/oder auf die Anodenschicht (2) mittels Rotationsbeschichtens; und d) Aufbringen einer Kathodenschicht (5) auf die Polymerelektrolytschicht (4) mittels Rotationsbeschichtens. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Lithium- und/oder Gaszelle beziehungsweise -Batterie sowie ein damit ausgestattetes mobiles oder stationäres System.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, eine Lithium- und/oder Gaszelle beziehungsweise -Batterie sowie ein damit ausgestattetes mobiles oder stationäres System.
Stand der Technik
Lithiumbatterien sind momentan Gegenstand der Forschung, da Lithiummetall mit 3880 mAh/g im Vergleich zu lithiiertem Graphit (370 mAh/g) eine 10-fach höhere Kapazität aufweist. In Hochenergiebatterien, wie Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, resultiert dies in praktisch erreichbaren spezifischen Energien von 400 Wh/kg beziehungsweise 1000 Wh/kg. Dies entspricht einer Steigerung der spezifischen Energie um den Faktor 3 bis 5 gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Aufbringen einer Anodenschicht auf eine Stromkollektorschicht,
b) Gegebenenfalls Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht auf die Anodenschicht,
c) Aufbringen einer Polymerelektrolytschicht auf die Festkörperionenleiterschicht beziehungsweise auf die Anodenschicht mittels Rotationsbeschichtens (Rotationsbeschichtung; englisch: „Spin Coating”),
d) Aufbringen einer Kathodenschicht auf die Polymerelektrolytschicht, insbesondere mittels Rotationsbeschichtens (Rotationsbeschichtung; englisch: „Spin Coating”).

Insbesondere kann es sich bei dem Verfahren um ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie und/oder einer Gaszelle beziehungsweise Gasbatterie handeln. Eine Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie kann beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- und/oder Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- und/oder Lithium-Ionen-Batterie sein. Eine Gaszelle beziehungsweise Gasbatterie kann beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- und/oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- und/oder Magnesium-Luft-Batterie sein. Insbesondere kann es sich daher bei dem Verfahren um ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Ionen-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise -Batterie handeln.
Unter einer Stromkollektorschicht kann insbesondere eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Nickel, verstanden werden. Dabei ist es möglich, dass die Stromkollektorschicht auch zur mechanischen Stabilität der herzustellenden Schichtanordnung beiträgt, weswegen die Stromkollektorschicht gegebenenfalls auch als Trägerschicht bezeichnet werden kann.
Durch das Verfahren, insbesondere das Rotationsbeschichten, kann vorteilhafterweise, eine innigen Verbindung der einzelnen Funktionsschichten, insbesondere der Polymerelektrolytschicht mit dem darunter liegenden Schichtverbund, beispielsweise der darunter liegenden Festkörperionenleiterschicht beziehungsweise Anodenschicht, sowie der Kathodenschicht mit der Polymerelektrolytschicht erzielt werden. Eine innige Verbindung der Funktionsschichten wirkt sich dabei vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellen Zelle beziehungsweise Batterie aus. Zudem können durch Rotationsbeschichten kontrollierte, homogene Schichten mit einer äußerst dünnen Schichtdicke, beispielsweise von einigen 10 nm, und mit einer geringen Fertigungstoleranz hergestellt werden. Geringe Schichtdicken wirken sich dabei ebenfalls vorteilhaft auf eine Verringerung des Innenwiderstandes der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus. Zudem ermöglicht dies eine Herstellung von äußerst dünnen Zellstapeln. Die Polymerelektrolytschicht kann beispielsweise mit einer sehr dünnen Schichtdicke, beispielsweise im Bereich von etwa 100 nm, gebracht werden, was sich besonders vorteilhaft auf eine Reduktion des Innenwiderstandes auswirkt.
Der Innenwiderstand von erfindungsgemäß hergestellten Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium-Batterien kann auf diese Weise bis zu zwei Größenordnungen kleiner sein, als bei herkömmlichen Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium-Batterien, bei denen Polymerelektrolytschichten mit einer Schichtdicke im Bereich mehrerer μm mit anderen Funktionsschichten, wie Kathodenschichten, lediglich zusammengelegt oder zusammengepresst gepresst werden. Weiterhin kann durch einen innigen Verbund die Ionenleitfähigkeit zwischen einzelnen Funktionsschichten verbessert werden, was es ermöglicht auf einen Flüssigelektrolyten zu verzichten und beispielsweise eine flüssigelektrolytfreie Lithium-Zelle beziehungsweise Lithium-Batterie bereitzustellen. So kann vorteilhafterweise wiederum die Sicherheit der Zelle beziehungsweise Batterie erhöht werden, da brennbare organische Lösungsmittel vermieden werden können.
Durch einen geringen Innenwiderstand kann vorteilhafterweise eine höhere Ratenfähigkeit der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie erzielt werden.
Die geringe Fertigungstoleranz ermöglicht es zudem eine Vielzahl von Zellen mit einer einheitlichen Kapazität zu produzieren.
Durch das Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht kann vorteilhafterweise eine als Lithiummetallschicht ausgestaltete Anodenschicht verkapselt und vor Umwelteinflüssen, beispielsweise Sauerstoff, geschützt werden. Zudem kann durch die Festkörperionenleiterschicht ein Wachstum von Dendriten, beispielsweise aus dem Lithiummetall der Lithiummetallschicht, verhindert werden.
Insgesamt ermöglicht es das Verfahren vorteilhafterweise Lithium-Zellen beziehungsweise Lithium-Batterien und/oder Gaszellen beziehungsweise Gasbatterien mit Kapazitäten von mehreren Ah zu realisieren, welche beispielsweise für einen Einsatz im Automotive-Bereich geeignet sind.
Die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht können beispielsweise eine im Wesentlichen runde, insbesondere kreisförmige, Grundfläche aufweisen.
Im Rahmen einer Ausführungsform werden die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet. Insbesondere können die Stromkollektorschicht, die Anodenschicht, die Festkörperionenleiterschicht, die Polymerschicht und die Kathodenschicht im Wesentlichen in Form von kreisförmigen Scheiben ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird das Rotationsbeschichten in Verfahrensschritt c) und/oder d) mit einer niedrigviskosen Polymerlösung und/oder mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von größer oder gleich 3000 1/min, insbesondere von größer oder gleich 4000 1/min, beispielsweise um etwa 5000 1/min, durchgeführt. Dies hat sich zum Erzielen von dünnen Schichten als vorteilhaft erwiesen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt c) die Polymerelektrolytschicht derart auf die Anodenschicht aufgebracht, dass die Anodenschicht zwischen der Polymerelektrolytschicht und der Stromkollektorschicht eingeschlossen wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht derart auf die Anodenschicht aufgebracht, dass die Anodenschicht zwischen der Festkörperionenleiterschicht und der Stromkollektorschicht eingeschlossen wird.
Um ein Einschließen der Anodenschicht zu erzielen, können beispielsweise die Stromkollektorschicht und die Polymerelektrolytschicht beziehungsweise die Festkörperionenleiterschicht eine größere Fläche aufweisen als die Anoden schicht, insbesondere kann dabei die Anodenschicht mittig zwischen der Stromkollektorschicht und der Polymerelektrolytschicht beziehungsweise der Festkörperionenleiterschicht ausgebildet sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich die Randabschnitte der Stromkollektorschicht und der Polymerelektrolytschicht beziehungsweise der Festkörperionenleiterschicht einander kontaktieren und dabei die Anodenschicht umschließen und damit schützen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: e) Aufbringen einer Distanzscheibe auf die Kathodenschicht. Die Distanzscheibe kann dabei insbesondere zur Ausbildung einer Gaszufuhr zur Kathodenschicht ausgebildet sein. Dafür kann die Distanzscheibe zum Beispiel in Form eines mindestens einseitig geöffneten Rings ausgebildet sein. Die Ringöffnung kann dabei als Gaseintrittsöffnung in den Innenbereich des Rings dienen. Dadurch dass die Distanzscheibe auf eine noch nicht vollständig verfestigte Kathodenschicht aufgebracht wird, kann auch zwischen Kathodenschicht und der Distanzscheibe ein inniger Verbund erzielt werden. So kann zum Einen eine gasdichte Verbindung zwischen der Distanzschicht und der Kathodenschicht realisiert werden. Zum Anderen kann auf diese Weise, da die Distanzscheibe zusätzlich als elektrischer Leiter zur Verschaltung mehrerer Einzelzellen dienen kann, auch der Innenwiderstand der herzustellenden Lithium-Batterie reduziert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: f) Wiederholen der Verfahrensschritte a); gegebenenfalls b); c); und d) unter Ausbildung eines weiteren Schichtsystems, welches eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: g) Stapel von zwei oder mehr Schichtsystemen. Die Schichtsysteme können dabei insbesondere jeweils eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfassen. Die Schichtsysteme können insbesondere derart gestapelt werden, dass die durch die einzelnen Schichtsysteme ausgebildeten galvanischen Zellen in Reihe geschaltet werden.
Insbesondere können mindestens zwei Schichtsysteme derart aufeinander gestapelt werden, dass die Kathodenschichten der (beiden) Schichtsysteme gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe kontaktieren.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: h) Überführen des Schichtsystems beziehungsweise der gestapelten Schichtsysteme in ein Gehäuse. Das Gehäuse kann insbesondere eine zylindrische Form aufweisen und beispielsweise mit mindestens einer Gaseintrittsöffnung ausgestattet sein. Dabei kann die mindestens eine Gaseintrittsöffnung an einer Deckfläche des zylindrischen Gehäuses ausgebildet sein. Das Gehäuse und das Schichtsystem beziehungsweise die gestapelten Schichtsysteme können insbesondere derart ausgelegt sein, dass zwischen dem Gehäuse, insbesondere der Innenwandung des Gehäuses, und dem Schichtsystem beziehungsweise den gestapelten Schichtsystemen ein, insbesondere radialer, Freiraum ausgebildet wird. Über die mindestens eine Gaseintrittsöffnung, den Freiraum und die Ringöffnung/en der Distanzscheibe/n kann beziehungsweise können die Kathodenschicht vorteilhafterweise mit Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, versorgt werden. So kann vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise eine Gaszelle beziehungsweise -Batterie, beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise -Batterie realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) die Anodenschicht auf die Stromkollektorschicht mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch Lamination und/oder durch Pressen, insbesondere im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Ar gonatmosphäre, aufgebracht. Diese Beschichtungsverfahren haben sich zum Erzeugen eines innigen Verbundes zwischen der Anodenschicht und der Stromkollektorschicht als vorteilhaft erwiesen. Wie bereits erläutert wirkt sich dies vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht auf die Anodenschicht mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch nasschemische Abscheidung, beispielsweise mittels eines Sol-Gel-Verfahrens, und/oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Diese Beschichtungsverfahren haben sich zum Erzeugen eines innigen Verbundes zwischen der Festkörperionenleiterschicht und der Anodenschicht und einer geringen Schichtdicke der Festkörperionenleiterschicht als vorteilhaft erwiesen. Wie bereits erläutert wirkt sich dies vorteilhaft auf den Innenwiderstand der herzustellenden Zelle beziehungsweise Batterie aus.
Die Verfahrensschritte c) und/oder d), insbesondere d), können zwei oder mehr, auf Rotationsbeschichten basierende Unterverfahrensschritte umfassen. Insbesondere kann dadurch eine mehrlagige Kathodenschicht, beispielsweise mit mehreren Lagen aus unterschiedlichen Materialien, realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromkollektorschicht Nickel. Insbesondere kann die Stromkollektorschicht aus Nickel ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anodenschicht Lithium, Zink und/oder Magnesium. Insofern die Zelle beziehungsweise Batterie eine Zink-Sauerstoff- oder Zink-Luft-Gaszelle beziehungsweise -Gasbatterie ist, kann die Anodenschicht auf, insbesondere metallischem, Zink basieren. Insofern die Zelle beziehungsweise Batterie eine Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium – Luft-Gaszelle beziehungsweise -Gasbatterie ist, kann die Anodenschicht auf, insbesondere metallischem, Magnesium basieren.
Auf Lithium kann die Anodenschicht basieren, insofern die Zelle beziehungsweise Batterie eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise -Batterie ist. Beispielsweise kann die Anodenschicht dabei eine Lithiummetallschicht oder eine Interkalationsmaterialschicht sein. Unter einem Interkalationsmaterial kann insbesondere ein Material verstanden werden, in welches Lithiumionen reversibel ein- und wieder ausgelagert, also interkaliert und deinterkaliert, werden können.
Insbesondere kann die Anodenschicht eine Lithiummetallschicht sein. Unter einer Lithiummetallschicht kann dabei insbesondere sowohl eine Schicht aus metallischem Lithium als auch eine Schicht aus einer Lithiumlegierung verstanden werden. Zum Beispiel kann die Lithiummetallschicht metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung, beispielsweise eine Lithium-Aluminium- und/oder Lithium-Silicium-Legierung, umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathodenschicht eine Gasdiffusionselektrode, insbesondere für eine Lithium-Sauerstoff Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Zelle, oder eine schwefelhaltige Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Zelle, oder eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle. Als Interkalationsmaterial für eine Kathodenschicht für eine Lithium-Ionen-Zelle kann beispielsweise Li(Ni, Mn, Co)O₂ eingesetzt werden. Die Kathodenschicht kann beispielsweise mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise Ruß, zum Beispiel Super-P-Li oder Ketjen Black, und/oder mindestens einen Binder, insbesondere mindestens ein lithiumionenleitendes Polymer, (Gasdiffusionselektrode) oder mindestens eine schwefelhaltige Verbindung, insbesondere Schwefel, und gegebenenfalls mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise eine Kohlenstoffmodifikation, (Lithium-Schwefel-Zellenkathode) oder mindestens ein Interkalationsmaterial, beispielsweise Li(Ni, Mn, Co)O₂, und gegebenenfalls mindestens ein elektrisch leitendes Additiv, beispielsweise eine Kohlenstoffmodifikation, (Lithium-Ionen Zellen-Kathode) umfassen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Festkörperionenleiterschicht lithiumionenleitend. Durch eine derartige Festkörperionenleiterschicht kann vorteilhafterweise eine Anodenschicht auf der Basis von Lithium, insbesondere eine Lithiummetallschicht, beispielsweise vor Sauerstoff, geschützt und/oder eine Bildung von Lithium-Dendriten während des Ladevorgangs verhindert werden. Zum Beispiel kann dafür die Festkörperionenleiterschicht mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON), Lithiumcarbonat (Li₂CO₃), Lithiumtantaloxid (LiTaO₃), lithiumhaltigen Granaten, wie Li₇LaZr₂O₁₂, germaniumhaltigen Glaskeramiken, wie Li-Ge-P-S oder Li-Al-Ge-P-O, und Mischungen davon. Da die Festkörperionenleiterschicht vorzugsweise mit einer äußerst geringen Schichtdicke aufgetragen wird, muss um einen geringen Innenwiderstand zu erzielen die spezifische Lithiumionenleitfähigkeit der Materialien bei Raumtemperatur nicht zwangsläufig besonders hoch sein, sondern kann unter 10^–3 S/cm betragen. Durch den Einsatz von Materialien mit einer höheren Lithiumionenleitfähigkeit kann jedoch der Innenwiderstand vorteilhafterweise noch weiter gesenkt werden.
Die Distanzscheibe/n können insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann beziehungsweise können die Distanz scheibe/n ein metallisches Material umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Distanzscheibe Aluminium. Insbesondere kann die Distanzscheibe aus Aluminium ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Stromkollektorschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 1 μm bis kleiner oder gleich 20 μm, insbesondere von größer oder gleich 1 μm bis kleiner oder gleich 10 μm, zum Beispiel von etwa 5 μm, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Anodenschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 μm bis kleiner oder gleich 150 μm, insbesondere von größer oder gleich 25 μm bis kleiner oder gleich 100 μm, zum Beispiel von etwa 75 μm, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Festkörperionenleiterschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 1 μm, insbesondere von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 100 nm, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Polymerelektrolytschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 10 μm, insbesondere von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 5 μm, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Kathodenschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 150 μm, insbesondere von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 100 μm, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Distanzscheibe eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 200 μm, insbesondere von größer oder gleich 100 nm bis kleiner oder gleich 150 μm, zum Beispiel von etwa 120 μm, auf.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle beziehungsweise Batterie, dem erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine galvanische Zelle oder Batterie. Die galvanische Zelle beziehungsweise Batterie kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.
Beispielsweise kann es sich dabei um eine Lithium- und/oder Gaszelle beziehungsweise Lithium- und/oder Gasbatterie, zum Beispiel eine Lithium-Sauerstoff-Zelle oder Lithium-Luft-Zelle oder Lithium-Schwefel-Zelle oder Lithium-Ionen-Zelle oder Zink-Sauerstoff-Zelle oder Zink-Luft-Zelle oder Magnesium-Sauerstoff-Zelle oder Magnesium-Luft-Zelle beziehungsweise eine Lithium-Sauerstoff-Batterie oder Lithium-Luft-Batterie oder Lithium-Schwefel-Batterie oder Lithium-Ionen-Batterie oder Zink-Sauerstoff-Batterie oder Zink-Luft-Batterie oder Magnesium-Sauerstoff-Batterie oder Magnesium-Luft-Batterie, handeln. Die Zelle beziehungsweise Batterie kann insbesondere eine Kapazität von ≥ 1 Ah, beispielsweise von ≥ 10 Ah, aufweisen. Insbesondere kann die Zelle beziehungsweise die Batterie flüssigelektrolytfrei sein.
Insbesondere kann es sich um eine Gasbatterie, beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-Batterie oder Lithium-Luft-Batterie oder Zink-Sauerstoff-Batterie oder Zink-Luft-Batterie oder Magnesium-Sauerstoff-Batterie oder Magnesium-Luft-Batterie, handeln. Diese kann insbesondere ein zylindrisches Gehäuse und eine Vielzahl von gestapelten Schichtsystemen umfassen. Die Schichtsysteme können dabei jeweils eine Stromkollektorschicht, eine Anodenschicht, gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht, eine Polymerelektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfassen. Die Stromkollektorschichten, die Anodenschichten, gegebenenfalls die Festkörperionenleiterschichten, die Polymerschichten und die Kathodenschichten der Schichtsysteme können dabei im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein. Dabei können insbesondere mindestens zwei Schichtsysteme derart aufeinander gestapelt sein, dass die Kathodenschichten der (beiden) Schichtsysteme gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe kontaktieren, welche insbesondere in Form eines mindestens einseitig geöffneten Rings ausgestaltet sein kann.
Insbesondere kann dabei der Schichtsystemstapel derart in dem Gehäuse angeordnet oder anordbar sein, dass radial zwischen dem Schichtsystemstapel und der Innenwandung des Gehäuses ein Freiraum ausbildbar ist. Die Kathodenschichten der Schichtsysteme können dabei insbesondere über mindestens eine Gaseintrittsöffnung des Gehäuses, den radialen Freiraum und die Ringöffnungen der Distanzscheiben mit einem Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, versorgbar sein.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle beziehungsweise Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen mobilen oder stationären System sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mobiles oder stationäres System, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder Batterie umfasst beziehungsweise damit ausgestattet ist. Insbesondere kann es sich dabei um ein Fahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder (Voll-)Elektrofahrzeug, eine Energiespeicheranlage, beispielsweise zur stationären Energiespeicherung, zum Beispiel in einem Haus oder einer technischen Anlagen, ein Elektrowerkzeug, ein Elektrogartengerät oder ein elektronisches Gerät, zum Beispiel ein Notebook, ein PDA oder ein Mobiltelefon, handeln.
Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen mobilen oder stationären Systems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle beziehungsweise Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
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
1a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt a) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht und einer Anodenschicht;
1b eine schematische Draufsicht auf das in 1a gezeigte Schichtsystem;
2a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt b) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht und einer Festkörperionenleiterschicht;
2b eine schematische Draufsicht auf das in 2a gezeigte Schichtsystem;
3a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt c) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionenleiterschicht und einer Polymerelektrolytschicht;
3b eine schematische Draufsicht auf das in 3a gezeigte Schichtsystem;
4a einen schematischen Querschnitt durch ein im Rahmen einer Ausführungsform von Verfahrensschritt d) hergestelltes Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionenleiterschicht, einer Polymerelektrolytschicht und einer Kathodenschicht;
4b eine schematische Draufsicht auf das in 4a gezeigte Schichtsystem;
5a einen schematischen Querschnitt durch ein durch eine Ausführungsform von Verfahrensschritt e) herstellbares Schichtsystem aus einer Stromkollektorschicht, einer Anodenschicht, einer Festkörperionenleiterschicht, einer Polymerelektrolytschicht, einer Kathodenschicht und einer Distanzscheibe;
5b eine schematische Draufsicht auf das in 5a gezeigte Schichtsystem;
6a einen schematischen Querschnitt durch ein durch eine Ausführungsform von Verfahrensschritt h) herstellbare Gasbatterie mit einem zylindrischen Gehäuse und einer Vielzahl von gestapelten Schichtsystemen; und
6b eine schematische Draufsicht auf die in 6a gezeigte Gasbatterie.
Im Rahmen der Figurenbeschreibung wird eine Ausführungsform des Verfahrens erläutert, im Rahmen welcher eine Lithiummetallschicht als Anodenschicht eingesetzt und eine Lithium-Sauerstoff- beziehungsweise Lithium-Luft-Batterie hergestellt wird.
Die 1a und 1b veranschaulichen, dass zur Herstellung einer Einzelzelle zunächst in einem Verfahrensschritt a) eine Lithiummetallfolie 2, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 75 μm, auf eine Stromkollektorschicht 1 in Form einer Nickelträgerfolie, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 5 μm, aufgebracht wird, um die Anode der herzustellenden Lithium-Zelle zu erzeugen. Dies kann zum Beispiel mittels Aufdampfens im Vakuum oder Sputtern oder durch Lamination beziehungsweise durch Pressen unter Argon geschehen. Eine 75 μm dicke Lithiummetallfolie 2 kann dabei unter Berücksichtigung von 50% Lithiumüberschuss beispielsweise eine theoretische Flächenkapazität von 9,7 mAh/cm² aufweisen.
Die 2a und 2b illustrieren, dass die so vorbereitete Lithiummetallanode 1, 2 in einem Verfahrensschritt b) mit einem keramischen oder polymeren Festkörperionenleiter 3, beispielsweise Lithium-Phosphor-Oxynitrid (LiPON) und/oder Lithiumcarbonat (Li₂CO₃), beschichtet wird. Die 2a und 2b zeigen, dass dabei das Lithium 2 zwischen dem Festkörperionenleiter 3 und der Nickelfolie 1 vollständig eingeschlossen wird. Diese Beschichtung dient als Schutzschicht, um das hochreaktive Lithium vor aggressiven Stoffen, wie Sauerstoff schützen. Dies ist insbesondere für Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft- und Lithium-Schwefel-Zellen relevant, da hier Nebenreaktionen mit Sauerstoff beziehungsweise Schwefel zu Kapazitätsverlusten führen könnten. Bei Lithium-Sauerstoff- beziehungsweise Lithium-Luft-Zellen können darüber hinaus auch Nebenreaktionen mit Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid problematisch sein, weshalb einer Anodenschutzschicht hier besondere Bedeutung zukommt. Mögliche Aufbringungsverfahren für den Festkörperionenleiter 3 sind thermisches Aufdampfen, Sputtern, nasschemische Abscheidung oder Abscheidung aus der Gasphase. Die Schichtdicke der Festkörperionenleiterschicht 3 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine ausreichende absolute Ionenleitfähigkeit gewährleistet werden kann. Die genaue Schichtdicke sollte daher auf die spezifische Ionenleitfähigkeit des verwendeten Materials angepasst werden. Die Schichtdicke der Festkörperionenleiterschicht 3 kann beispielsweise zwischen einigen 10 nm und 1 μm liegen. Mögliche Aufbringungsverfahren sind thermisches Aufdampfen, Sputtern, nasschemische Abscheidung oder Abscheidung aus der Gasphase.
Die 3a und 3b veranschaulichen, dass in einem Verfahrensschritt c) eine Polymerelektrolytschicht 4 auf die Festkörperionenleiterschicht 3 aufgebracht wird. Dazu kann die in den 2a und 2b gezeigte beschichtete und damit verkapselte Lithiummetallanode 1, 2, 3 mittels eines so genannten „Spincoaters” mit einer Polymerelektrolytschicht 4 rotationsbeschichtet werden. Mit niedrigviskosen Polymerlösungen und zum Beispiel Umdrehungsgeschwindigkeiten um 5000 1/min können dadurch Schichtdicken unter 100 nm, beispielsweise von 50 nm bis zu einigen μm, reproduzierbar hergestellt werden. Die genauen Prozessparameter sollten auf das verwendete Polymer angepasst werden. Für die Schichtdicke relevante Prozessparameter sind die Viskosität der Polymerlösung, die Rotationsgeschwindigkeit des „Spincoaters” sowie die Rotationsdauer. Da die Polymerlösung direkt auf den Festkörperionenleiter 3 aufgebracht wird und während der Rotation Lösungsmittel teilweise verdampfen kann, kann auf diese Weise eine gute Haftung zwischen dem Festkörperionenleiter 3 und dem Polymerelektrolyten 4 erreicht werden. Neben einer kontrolliert kleinen Schichtdicke im Nanometerbereich ermöglicht das Rotationsbeschichten zudem eine gute Verbindung zwischen den Schichten und die Realisierung eines niedrigen Innenwiderstandes der Zelle. Die Polymerelektrolytschicht 4 kann dabei zudem als Haftvermittler zwischen der Festkörperionenleiterschicht 3 und der im folgenden Verfahrensschritt d) darauf aufgebrachten Kathodenschicht 5 dienen.
Die 4a und 4b zeigen, dass in Verfahrensschritt d) eine Kathodenschicht 5 in Form einer Gasdiffusionselektrode (GDL) auf die Polymerelektrolytschicht 4 aufgebracht wird. Wie bereits erläutert, ist dabei die Kathodenschicht 5 nicht auf eine Form als Gasdiffusionselektrode beschränkt, sondern es ist ebenso möglich die Kathodenschicht 5 in Form einer Kathoden für Lithium-Schwefel-Zellen oder für eine konventionelle Lithium-Ionen-Zellen, beispielsweise mit oxidischen Kathodenmaterialien, auszugestalten. Alternativ zu einer Ausgestaltung der Kathodenschicht 5 als Gasdiffusionselektrode, kann die Kathodenschicht 5 daher beispielsweise auch als schwefelhaltige Kathodenschicht, welche beispielsweise Kohlenstoff und Schwefel umfasst, oder als eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht, welche beispielsweise Kohlenstoff und LiCoO₂ umfasst, ausgestaltet sein. Das Aufbringen der Kathodenschicht 5 kann ebenfalls mittels Rotationsbeschichtens insbesondere auf den noch nicht ausgehärteten Polymerelektrolyten 4 erfolgen. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise auch eine innige Verbindung zwischen der Kathodenschicht 5 und der Polymerelektrolytschicht 4 und damit eine niedrige Übergangsimpedanz bewerkstelligt werden. Der Schlicker für die Kathodenschicht 5 kann zum Beispiel Ruß, beispielsweise Super-P-Li oder Ketjen Black), Binder, beispielsweise ein lithiumionenleitfähiges Polymer, und gegebenenfalls weitere Additiven umfassen. Durch das Rotationsbeschichten kann die Schichtdicke der Kathodenschicht 5 im Bereich von 10 μm und 100 μm sehr genau eingestellt werden. Die Schichtdickenvariation über die gesamte Probe kann weniger als 500 nm betragen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Herstellung von Lithium-Zellen mit gut reproduzierbarer Kapazität.
Die 5a und 5b veranschaulichen, dass in einem Verfahrensschritt e) eine Distanzscheibe 6, beispielsweise aus Aluminium, zum Beispiel mit einer Dicke von 120 μm, auf die Kathodenschicht 5 aufgebracht wird, welche in Form eines auf einer Seite offenen Rings ausgebildet ist und zur Ausbildung einer Gaszufuhr zur Kathodenschicht 5 dient. Eine derartige Distanzscheibe 6 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn mehrere Einzelzellen, wie in den 6a und 6b gezeigt, zu einem Zellstapel verbaut werden. Eine Distanzscheibe 6 wird vorzugsweise bei einer Kathodenschicht 5 in Form einer Gasdiffusionselektrode vorgesehen und kann dabei insbesondere dazu dienen, die Kathode 5 mit Gas, beispielsweise Sauerstoff beziehungsweise Luft, zu versorgen. Insofern es sich bei der Kathodenschicht 5 um eine schwefelhaltige Kathodenschicht oder eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht handelt, kann die Distanzscheibe 6 entfallen, da in diesen Fällen das Aktivmaterial, beispielsweise Schwefel oder LiCoO₂, von Anfang an in der Kathode 5 vorliegt und nicht wie im Fall einer Gasdiffusionselektrode aus der Gasphase zugeführt werden muss.
Die 6a und 6b zeigen, eine Lithium-Batterie mit einem zylindrischen Gehäuse 7, welche eine Stapelung aus einer Vielzahl von in den 4a und 4b gezeigten Schichtsystemen umfasst. Dabei weist jedes Schichtsystem eine im Wesentlichen scheibenförmige Stromkollektorschicht 1, Anodenschicht (Lithiummetallschicht) 2, Festkörperionenleiterschicht 3, Polymerelektrolytschicht 4 und Kathodenschicht 5 auf, insbesondere wobei die Kathodenschicht in Form einer Gasdiffusionselektrode ausgestaltet ist. Dabei sind jeweils zwei Schichtsysteme 1, 2, 3, 4, 5 derart aufeinander gestapelt, dass die Kathodenschichten 5 der beiden Schichtsysteme 1, 2, 3, 4, 5 gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe 6 kontaktieren. Die Distanzscheiben 6 sind dabei, wie in den 5a und 5b gezeigt, in Form eines geöffneten Rings ausgestaltet und dienen als Gaszufuhr für die daran angrenzenden Kathodenschichten 5. Mit anderen Worten, jeweils zwei Schichtsysteme 1, 2, 3, 4, 5 teilen sich eine Distanzscheibe 6. Die Pfeile auf der rechten und linken Seite der Anordnung weisen darauf hin, dass dabei die Distanzscheiben 6 derart angeordnet sind, dass die Ringöffnungen 6a, welche als Gaszutrittsöffnung in den Innenbereich der Distanzscheibe 6 dienen, alternierend auf gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind. Da die Distanzscheiben 6 insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein können, können die durch die einzelnen Schichtsysteme 1, 2, 3, 4, 5 ausgebildeten galvanischen Einzelzellen durch die dazwischen angeordneten Distanzscheiben 6 in Reihe geschaltet. Die 6a und 6b veranschaulichen weiterhin, dass radial zwischen den gestapelten Schichtsystemen 1, 2, 3, 4, 5 und der Innenwandung des Gehäuses 7 ein Freiraum ausgebildet ist. Auf der Deckseite beziehungsweise Oberseite des zylindrischen Gehäuses 7 sind Gaszutrittsöffnungen 7a vorgesehen. Durch diese Gaszutrittsöffnungen 7a kann Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, in den radialen Freiraum zwischen den gestapelten Schichtsystemen 1, 2, 3, 4, 5 und der Innenwandung des Gehäuses 7 strömen. Aus diesem Freiraum kann das Gas durch die alternierend ausgebildeten Ringöffnungen 6a der Distanzscheiben 6 in die Innenraume strömen, welche jeweils durch eine Distanzscheiben 6 und die beiden auf gegenüberliegenden Seiten daran angrenzenden Kathodenschichten 5 ausgebildet werden, und dort an den Kathodenschichten 6 elektrochemisch umgesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle oder Batterie, umfassend die Verfahrensschritte a) Aufbringen einer Anodenschicht (2) auf eine Stromkollektorschicht (1); b) Gegebenenfalls Aufbringen einer Festkörperionenleiterschicht (3) auf die Anodenschicht (2); c) Aufbringen einer Polymerelektrolytschicht (4) auf die Festkörperionenleiterschicht (3) und/oder auf die Anodenschicht (2) mittels Rotationsbeschichtens; und d) Aufbringen einer Kathodenschicht (5) auf die Polymerelektrolytschicht (4) mittels Rotationsbeschichtens.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Verfahrensschritt c) und/oder d) das Rotationsbeschichten mit einer niedrigviskosen Polymerlösung und/oder mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von größer oder gleich 3000 1/min durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromkollektorschicht (1), die Anodenschicht (2), gegebenenfalls die Festkörperionenleiterschicht (3), die Polymerschicht (4) und die Kathodenschicht (5) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Verfahrensschritt c) die Polymerelektrolytschicht (4) derart auf die Anodenschicht (2) aufgebracht wird, dass die Anodenschicht (2) zwischen der Polymerelektrolytschicht (4) und der Stromkollektorschicht (1) eingeschlossen wird, oder wobei in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht (3) derart auf die Anodenschicht (2) aufgebracht wird, dass die Anodenschicht (2) zwischen der Festkörperionenleiterschicht (3) und der Stromkollektorschicht (1) eingeschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: e) Aufbringen einer Distanzscheibe (6) auf die Kathodenschicht (5) umfasst, insbesondere wobei die Distanzscheibe (6) in Form eines geöffneten Rings und/oder zur Ausbildung einer Gaszufuhr zur Kathodenschicht (5) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt f) umfasst: Widerholen der Verfahrensschritte a); gegebenenfalls b); c); und d) unter Ausbildung eines weiteren Schichtsystems (1, 2, 3, 4, 5), welches eine Stromkollektorschicht (1), eine Anodenschicht (2), gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht (3), eine Polymerelektrolytschicht (4) und eine Kathodenschicht (5) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt: g) Stapel von zwei oder mehr Schichtsystemen (1, 2, 3, 4, 5) umfasst, insbesondere wobei die Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) jeweils eine Stromkollektorschicht (1), eine Anodenschicht (2), gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht (3), eine Polymerelektrolytschicht (4) und eine Kathodenschicht (5) umfassen, insbesondere wobei die Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) derart gestapelt werden, dass die durch die einzelnen Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) ausgebildeten galvanischen Zeilen in Reihe geschaltet werden, insbesondere wobei mindestens zwei Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) derart aufeinander gestapelt werden, dass die Kathodenschichten (5) der Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe (6) kontaktieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt h) umfasst: Überführen des Schichtsystems (1, 2, 3, 4, 5) beziehungsweise der gestapelten Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) in ein, insbesondere zylindrisches, Gehäuse (7), insbesondere wobei das Gehäuse mindestens eine Gaseintrittsöffnung (7a) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in Verfahrensschritt a) die Anodenschicht (2) auf die Stromkollektorschicht (1) mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch Lamination und/oder durch Pressen, insbesondere im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Verfahrensschritt b) die Festkörperionenleiterschicht (3) auf die Anodenschicht (2) mittels thermischen Aufdampfens und/oder durch Sputtern und/oder durch nasschemische Abscheidung und/oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Anodenschicht (2) Lithium, Zink und/oder Magnesium umfasst, insbesondere wobei die Anodenschicht (2) eine Lithiummetallschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kathodenschicht (5) – eine Gasdiffusionselektrode, insbesondere für eine Gaszelle, beispielsweise eine Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- und/oder Magnesium-Luft-Zelle, oder – eine schwefelhaltige Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Schwefel-Zelle, oder – eine, ein Interkalationsmaterial umfassende Kathodenschicht, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Zelle, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Stromkollektorschicht (1) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 1 μm bis kleiner oder gleich 20 μm aufweist, und/oder wobei die Anodenschicht (2) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 μm bis kleiner oder gleich 150 μm aufweist, und/oder wobei die Festkörperionenleiterschicht (3) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 1 μm aufweist, und/oder wobei die Polymerelektrolytschicht (4) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 10 μm aufweist, und/oder wobei die Kathodenschicht (5) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 10 nm bis kleiner oder gleich 150 μm aufweist, und/oder wobei die Distanzscheibe (6) eine Schichtdicke in einem Bereich von größer oder gleich 50 nm bis kleiner oder gleich 200 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Stromkollektorschicht (1) Nickel umfasst; und/oder wobei die Festkörperionenleiterschicht (3) lithiumionenleitend ist, und/oder wobei die Distanzscheibe (6) Aluminium umfasst.
Gasbatterie, insbesondere Lithium-Sauerstoff-, Lithium-Luft-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Ionen-, Zink-Sauerstoff-, Zink-Luft-, Magnesium-Sauerstoff- oder Magnesium-Luft-Batterie, umfassend – ein zylindrisches Gehäuse (7) und – eine Vielzahl von gestapelten Schichtsystemen (1, 2, 3, 4, 5), wobei die Schichtsystemen (1, 2, 3, 4, 5) jeweils eine Stromkollektorschicht (1), eine Anodenschicht (2), gegebenenfalls eine Festkörperionenleiterschicht (3), eine Polymerelektrolytschicht (4) und eine Kathodenschicht (5) umfassen, wobei die Stromkollektorschichten (1), die Anodenschichten (2), gegebenenfalls die Festkörperionenleiterschichten (3), die Polymerschichten (4) und die Kathodenschichten (5) der Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sind, wobei mindestens zwei Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) derart aufeinander gestapelt sind, dass die Kathodenschichten (5) der Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) gegenüberliegende Seiten einer dazwischen angeordneten Distanzscheibe (6) in Form eines mindestens einseitig geöffneten Rings kontaktieren, insbesondere wobei der Schichtsystemstapel (1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4, 3, 2, 1) derart in dem Gehäuse (7) angeordnet oder anordbar ist, dass radial zwischen dem Schichtsystemstapel (1, 2, 3, 4, 5, 6, 5, 4, 3, 2, 1) und der Innenwandung des Gehäuses ein Freiraum ausbildbar ist, insbesondere wobei die Kathodenschichten (6) der Schichtsysteme (1, 2, 3, 4, 5) über mindestens eine Gaseintrittsöffnung (7a) des Gehäuses, den radialen Freiraum und die Ringöffnungen der Distanzscheiben mit einem Gas, insbesondere Sauerstoff beziehungsweise Luft, versorgbar sind.