DE102012214844A1

DE102012214844A1 - Lithium-Ionen-Batterie mit in einem Elektrolyten eingebetteten Separatorpartikeln

Info

Publication number: DE102012214844A1
Application number: DE102012214844A
Authority: DE
Inventors: Ion C. Halalay; Scott W. Jorgensen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2013-02-28
Also published as: CN102956916A; US20130052509A1

Abstract

Es ist eine Lithium-Ionen-Batterie beschrieben, in der elektrisch nichtleitfähige Keramikpartikel zwischen der Anode und der Kathode angeordnet sind, um die Separation zwischen diesen zu verstärken und Kurzschlüsse zu verhindern. Die Partikel, bevorzugt gleichachsig oder monodispers, können allgemein gleichmäßig in einem nicht-wässrigen gelierten oder hoch viskosen Elektrolyten verteilt sein. Der Elektrolyt kann auf eine oder beide von der Anode und der Kathode in einer geeigneten Dicke aufgebracht werden, um die Partikel mit dem Elektrolyten abzuscheiden und einen geschichteten Verbundstoff mit im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Partikeln zu bilden, der geeignet ist, um die gegenüberliegenden Anoden- und Kathodenflächen in einer beabstandeten Beziehung zu halten. Die Dicke der aufgebrachten Elektrolytschicht wird gewählt werden, um eine Abscheidung der Partikel im Wesentlichen als eine Teil-Monoschicht, eine Monoschicht oder eine Mehrfachschicht, wie für die Anwendung erforderlich, zu ermöglichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Verhindern interner Kurzschlüsse zwischen gegenüberstehenden Elektrodenschichten von Zellen einer Lithium-Ionen-Batterie, die Keramikpartikel in einem nicht-wässrigen ionischen Elektrolyten verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lithium-Ionen-Sekundärbatterien sind in tragbarer Unterhaltungselektronik wegen ihrer hohen Energie/Gewicht-Verhältnisse, des nicht vorhandenen Memory-Effekts und der langsamen Selbstentladung bei Nichtgebrauch üblich. Es werden auch wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Kraftfahrzeuganwendungen konstruiert und hergestellt, um Energie für Elektromotoren zum Antreiben von Fahrzeugrädern bereitzustellen.
Die Grundeinheit einer Lithium-Ionen-Batterie ist eine einzelne Zelle, die eine gegenüberstehende Anode und Kathode in einer beabstandeten Beziehung und zwischen diesen einen nicht-wässrigen, flüssigen Elektrolyten umfasst, der zum Transportieren und Weiterleiten von Lithium-Ionen geeignet ist. Lithium-Ionen-Batterien mit verschiedenen Größen, Formen und elektrischen Fähigkeiten können durch Anordnen einer beliebigen geeigneten Anzahl dieser Zellen parallel, in Reihe oder einer Kombination aus diesen, um eine Batterie mit einer geeigneten Spannung und Kapazität zu entwickeln, hergestellt werden. Während einer Batterieentladung arbeitet eine typische Lithium-Ionen-Batterie, indem sie elementares Lithium oxidiert, das in einem graphithaltigen Material der negativen Elektrode (Anode) eingelagert ist, und Lithium-Ionen durch einen geeigneten Elektrolyten hindurch von der negativen Elektrode zu einem Lithium-Ionen aufnehmenden positiven Elektrodenmaterial (Kathode) transportiert. Gleichzeitig mit diesem Fluss von Lithium-Ionen findet ein Fluss der Elektronen von der negativen Elektrode durch einen äußeren Stromkreis und stromverbrauchende Vorrichtung(en) hindurch zu der positiven Elektrode statt, um die externe Vorrichtung zu speisen. Während einer Batterieaufladung wird der Fluss von Lithium-Ionen durch ein aufgezwungenes elektrisches Potenzial umgekehrt, welches die Lithium-Ionen zu der Anode zurückbringt, wo sie zu elementarem Lithium reduziert und im Idealfall wieder in den Kohlenstoffbestandteil des Elektrodenmaterials eingelagert werden. In der Praxis findet jedoch eine Lithium-Wiedereinlagerung von weniger als 100% statt, was zu einem fortschreitenden Aufbau von Lithium und Lithium enthaltenden Reaktionsverbindungen auf der Anodenoberfläche während eines kontinuierlichen Zyklisierens führt. Unter bestimmten Bedingungen können solche Oberflächen-Lithiumablagerungen zur Bildung von Dendriten oder Vorsprüngen führen, die sich von der Oberfläche der Anode heraus zu der Kathode hin erstrecken.
Um einen physikalischen Kontakt (einen Elektronen leitenden Kontakt) zwischen der Anode und der Kathode, der einen internen Kurzschluss zur Folge hätte, zu verhindern, wird üblicherweise während des Zellenzusammenbaus ein Separator zwischen den positiven und negativen Elektroden angeordnet. Der Separator ist oft eine Polyolefinplatte oder -membran, die mikroskopische Poren enthält, welche sich von einer Oberfläche zu der anderen erstrecken. Diese Poren, die notwendig sind, um einen kontinuierlichen Elektrolytweg zum reversiblen Transport von Lithium-Ionen während des Aufladens und Entladens bereitzustellen, erfordern, dass die Polymerplatte spezialisierten Prozessen und Verfahren unterzogen wird, was die Herstellung solcher Lithium-Ionen-Zellen verkompliziert und als eine Sperre für die Bewegung der Lithium-Ionen wirkt, die den maximalen Strom, der erreicht werden kann, reduziert.
Solche Polymerplatten weisen, insbesondere bei Batteriebetriebstemperaturen über Raumtemperatur oder etwa 25°C, eine begrenzte Widerstandsfähigkeit gegen eine physikalische Durchdringung auf. Solch eine Durchdringung kann die Folge der oben erwähnten Anhäufung von Lithium-Vorsprüngen auf der Anodenoberfläche oder von metallischen Feinstoffen sein, die während Batterieherstellung produziert und in die Batterie eingebaut werden. Wenn diese leitfähigen Materialien die Polymerseparatorplatte durchdringen und den Anoden-Kathoden-Zwischenraum überbrücken, ist ein Kurzschluss die Folge. Die Hochstrom-, Hochtemperatur-Kurzschlüsse haben eine weitere Beschädigung des Separators zur Folge, was schließlich zulässt, dass Abschnitte der Anode und Kathode in Fläche-an-Fläche-Kontakt gelangen, was eine beträchtliche Kurzschlussbildung und einen schnellen Batterieausfall zur Folge hat.
Es besteht somit ein Bedarf an einem einfacheren, dauerhaften Mittel zur Minimierung interner Kurzschlüsse in Lithium-Ionen-Zellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Lithium-Ionen-Batterien umfassen allgemein einen Zellenstapel, der aus einer Vielzahl von Fläche-an-Fläche angeordneten Anoden und Kathoden besteht, die in wechselseitigem Kontakt mit einem Elektrolyten stehen, aber von einem zwischen ihnen angeordneten Separator auseinander und außerhalb eines elektrischen Kontakts miteinander gehalten werden. In der praktischen Anwendung dieser Erfindung werden diese Elektroden durch eine Vielzahl von Partikeln mit einer charakteristischen Abmessung von zwischen 2 und 30 Mikrometer auseinandergehalten, die zwischen den Anoden- und Kathodenflächen eingefügt sind und damit in Kontakt stehen. Die Separation zwischen der Anode und der Kathode ist im Wesentlichen durch die charakteristische Abmessung der Partikel bestimmt, kann aber von der Oberflächenrauigkeit der Elektrodenflächen beeinflusst werden. Es wird bevorzugt, eine so niedrige Konzentration an Partikeln wie möglich zu verwenden, sodass die Partikel den Zugang der Ionen zu den Elektroden nicht behindern, ein Phänomen, das als „Abschattung” bekannt ist. Eine Monoschicht oder weniger von einer Partikelbelegung kann ausreichen, um eine Separation sicherzustellen, wenn die Steifigkeit der Elektrode und deren Folienstromkollektorträger hinreichend ist, um die Durchbiegung der Elektrode in Regionen zu verhindern, die nicht direkt durch die Partikel gestützt sind.
Üblicherweise ist die Anode eine dünne kohlenstoffhaltige Schicht, die auf einem Kupferfolienstromkollektor abgeschieden ist, und die Kathode ist ein aktives Material auf Lithiumbasis, das auf einem Aluminiumstromkollektor abgelegt ist. Geeignete Kathoden-Materialien umfassen unter vielen anderen ein geschichtetes oder Spinell-Lithium-Übergangsmetalloxid oder ein Übergangsmetallphosphatmaterial, das eine Lithiumeinlagerung und -deinterkalation erfahren kann. Eine einzelne Anode-Separator-Kathode-Gruppierung kann unter Umständen nur 100 Mikrometer dick sein und aufgrund dieser geringen Dicke kann ein Zellenstapel durch Rollen der Elektroden in einer Spirale hergestellt werden. Auf diese Weise können sowohl zylindrische als auch prismatische Zellen hergestellt werden. Eine geschichtete Zellkonstruktion kann auch unter Verwendung gestapelter einzelner Elektrodenplatten oder unter Verwendung eines W-Falten- oder Z-Faltenaufbaus eingesetzt werden, in der eine Elektrode in den Falten der anderen verschachtelt ist. Während all dieser Herstellungsverfahren kann ein mäßiger Druck, allgemein weniger als etwa 1 Atmosphäre oder etwa 15 Pfund pro Quadratzoll (psi) oder ähnlich auf die Elektroden angewendet werden und nur das Vorhandensein des zwischen den gegenüberstehenden Elektrodenoberflächen angeordneten Separators verhindert einen Kontakt zwischen den Elektroden und den daraus folgenden Kurzschluss.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die beabstandete Konfiguration der Elektroden in einer Lithium-Ionen-Zelle aufrechtzuerhalten, indem eine Vielzahl von elektrisch nicht-leitenden Partikeln zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen von Anode und Kathode positioniert wird. Die Partikel wirken als mechanische Träger, oder als tragende Abstandhalter und dienen dazu, die gegenüberstehenden Elektrodenoberflächen eine vorbestimmte Distanz auseinanderzuhalten.
Es wird bevorzugt, dass die Partikel im Wesentlichen als zumindest ein Anteil einer Monoschicht gleichmäßig verteilt sind, um eine Reihe von allgemein gleichmäßig dimensionierten, nicht unterstützten Spannen zwischen den Partikeln zu erzeugen. In einigen Anwendungen können Monoschichtbeladungen oder selbst mehrere überlappende Partikelschichten bevorzugt sein. Die Partikelkonzentration kann vorbestimmt sein, um sicherzustellen, dass die nicht unterstützten Spannen zwischen den Partikeln unter Herstellungs- oder in Betriebsbelastungen nicht in einem Ausmaß durchhängen, das einen Fläche-an-Fläche-Elektrodenkontakt und übermäßige Kurzschlussbildung zur Folge hätte.
Die Partikel können im Wesentlichen kugelförmige oder gleichachsige Pulverpartikel oder von allgemein zylindrischer Form, zum Beispiel Kurzfasern, oder selbst lineare, mäßig verzweigte Strukturen sein. Jedes Partikel kann sich durch eine charakteristische Abmessung auszeichnen: den Partikeldurchmesser für eine Kugel; die kleinste mittlere Abmessung für ein gleichachsiges Partikel; den Durchmesser für einen Zylinder; und die kürzeste Entfernung zwischen Seiten einer konkaven Hülle um eine verzweigte Struktur herum. Die Größe der charakteristischen Abmessung, welche in einem Bereich von 2 bis 30 Mikrometer liegt, wird die Anoden-Kathoden-Separation weitgehend bestimmen.
Die Partikelgröße sollte gewählt sein, um die Rauigkeit der Elektrodenoberflächen zu berücksichtigen. Insbesondere sollte die Partikelgröße für beide Elektroden zumindest größer sein als die Summe der maximalen Profilhöhen, das heißt, die maximale Rautiefe, um sicherzustellen, dass die Elektroden keinen Kontakt herstellen.
Die Partikel können Oxide wie z. B. TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO und CaO oder Nitride wie z. B. ein kubisches Bornitrid oder Carbide wie Siliziumcarbid oder Mischungen aus solchen Partikeln sein. Es wird bevorzugt, die im Wesentlichen ebenen Elektrodenflächen über das gesamte gegenüberstehende Gebiet der Elektroden eine gemeinsame Distanz entfernt zu halten, sodass die Partikel von im Wesentlichen ähnlicher Größe sein sollten. Durch kontrollierte Hydrolyse eines Metallalkoxids in einer verdünnten Alkohol-Lösung hergestellte monodisperse kugelförmige Partikel wie z. B. SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und Ta₂O₅, die, unabhängig von ihrer Orientierung auf der Oberfläche eine gemeinsame Distanz von Anode zu Kathode schaffen, können bevorzugt sein. Diese Partikel liegen typischerweise in einem Bereich von etwa 0,5 bis 1,0 Mikrometer im Durchmesser, aber es wurden einige Partikel von bis zu 6 Mikrometer im Durchmesser zubereitet. Diese Partikel stehen bevorzugt nicht in Kontakt und sind beabstandet, um den nicht-wässrigen Elektrolyten besser unterzubringen und um die Elektrodenabschattung für eine gute Leitfähigkeit zwischen den Elektroden zu minimieren, aber es können in Kontakt stehende oder sogar überlappende Partikelanordnungen verwendet werden.
Um die Ionenleitfähigkeit weiter zu verbessern, können die Partikel porös sein. Ansätze zur Bildung von Partikeln mit geeignet großen Poren können darin bestehen, ein kolloidales Schablonieren zu verwenden oder die zuvor beschriebenen monodispersen Partikel teilweise zu sintern, sodass sich Hälse zwischen benachbarten Partikeln bilden, aber ein Großteil der Porosität erhalten bleibt. Der teilweise gesinterte Presskörper kann dann zerkleinert und klassiert werden. Die Partikel-Durchgangsporosität kann zusätzliche Leiterbahnen für die Ionen ermöglichen und die Leitfähigkeit verbessern, sodass ein größerer Volumenanteil von Separatorpartikeln in dem Elektrolyten ohne Beeinträchtigung des Stromabgabevermögens der Batterie toleriert kann können. Dies kann für Partikelausgestaltungen mit mehreren, übereinander liegenden Schichten von Partikeln von Bedeutung sein.
Lithium-Ionen-Batterien verwenden üblicherweise niederviskose, nichtwässrige Elektrolyte, die ein oder mehrere Lithiumsalze umfassen, welche/s LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN und LiBF₄ umfassen können, welche/s in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln, umfassend unter anderem Carbonate, Ester, Lactone und Ether gelöst ist/sind.
Allerdings werden sich jegliche elektrisch isolierende Partikel, die substanziell genug sind, um die Belastungen, die auf die Elektroden aufgebracht werden, zu tragen, unter dem Einfluss der Schwerkraft schnell durch den Elektrolyten bewegen. Somit ist zu erwarten, dass das Aufbringen von Partikeln, die in einem herkömmlichen Elektrolyt dispergiert sind, eine ungleichmäßige Partikelverteilung erzeugen und zumindest einen bestimmten Abschnitt des Elektrolyten arm an Partikeln machen wird. Jede Region der Elektrode in Kontakt mit einer partikelarmen Region des Elektrolyten wird leichter in der Lage sein, sich in Kontakt mit der gegenüberstehenden Elektrode zu bewegen, wenn sie unter mechanischer Belastung steht, und einen Kurzschluss auslösen.
Dies kann durch gleichmäßiges Dispergieren der Partikel in einem viel stärker viskosen, nicht-wässrigen Elektrolyten, z. B. einem gelierten Elektrolyten, vermieden werden. Die Viskosität des gelierten Elektrolyten wird gewählt, um ein Absetzen der Partikel zu verhindern, diese aber in der Lage sind, ohne weiteres in einer Schicht mit einer kontrollierten Dicke auf die eine oder andere der Batterieelektroden aufgebracht zu werden, während eine geeignete Ionenleitfähigkeit beibehalten wird. Ein Elektrolyt mit einer Viskosität von etwa 100 Centipoise (cP) erfüllt diese Anforderung hinreichend, aber es können auch Elektrolyte mit Viskositäten von nur 30 cP verwendet werden. Ein Gel kann auf einer glatten Oberfläche als eine Schicht von im Allgemeinen gleichmäßiger Dicke, beispielsweise mithilfe eines Streichmessers oder einer Kommastreichmaschine oder einer ähnlichen Vorrichtung, abgelegt werden. Ein Gel mit einer gleichmäßigen Verteilung von Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als die Schichtdicke wird einen allgemein gleichmäßigen Partikelabstand in der Schicht begünstigen. Allerdings werden die Elektroden eine aufgeraute Oberfläche aufweisen, sodass eine gewisse Tendenz bestehen wird, dass sich die Partikel in die Vertiefungen oder tiefen Stellen auf der Oberfläche abscheiden, und eine ungleichmäßigere Partikelverteilung kann die Folge sein.
Es wird bevorzugt, dass die Dicke der die Partikel enthaltenden Gelschicht im Wesentlichen gleich der vorgesehenen Dicke der Partikelschicht ist. Wenn eine einzelne Schicht oder ein Anteil einer einzelnen Schicht von Partikeln erwünscht ist, sollte de Gelschichtdicke im Wesentlichen gleich der Partikelgröße sein. Wenn mehrere Schichten von Partikeln erwünscht sind, sollte die Gelschichtdicke entsprechend angepasst werden. Es wird bevorzugt nur ein minimales Elektrolytauslaufen stattfinden, aber jegliches Auslaufen kann nach der der Batteriemontage ergänzt werden und die Anordnung der Partikel auf der Elektrode wird während eines Auslaufens nicht wesentlich gestört werden. In ähnlicher Weise wird jedes Herausquetschen des Elektrolyten, das stattfinden kann, wenn die gegenüberstehende Elektrode oben auf der ersten Elektrode und ihrer Partikel enthaltenden Elektrolytschicht angeordnet wird, die Partikelverteilung nicht wesentlich stören.
Solch ein Elektrolytgel kann durch Zugabe von elektrisch nicht-leitfähigen Verdickungsmitteln mit hinreichender elektrochemischer Stabilität wie z. B. PVdF (Polyvinylidenfluorid) oder Geliermitteln wie z. B. pyrogenes Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid zu herkömmlichen nichtwässrigen Elektrolyt-Lösungsmittel-Zusammensetzungen in einem beliebigen Verhältnis hergestellt werden. Doch das am stärksten erwünschte Niveau ist die minimale Menge, welche die Partikel während der Lagerung, dem Transport und der Anwendung ohne Separation suspendieren wird. Diese Zusatzstoffkonzentration kann mit dem Geliermittel und den Prozessbedingungen variieren, kann aber im Allgemeinen zwischen etwa 1% und 50% bezogen auf das Gewicht betragen. Wenn das Gel hergestellt und sofort (ohne Lagerung oder Transport) angewendet wird, wären geringere Konzentrationen brauchbar und erwünscht. Es können auch andere Elektrolytzusammensetzungen verwendet werden, die an sich geliert oder gelartig sind. Beispiele umfassen glasartige eutektische Gemische, die durch die Formel AxBy dargestellt sind, wobei A ein aus einem Lithium-Fluorsulfonimid gewähltes Salz, entweder ein Lithium-Fluoralkylsulfonimid oder ein Lithium-Fluorarylsulfonimid, ist und B ein aus einem Alkylsulfonamid oder einem Arylsulfonamid gewähltes Lösungsmittel ist. Selbst in solchen gelierten Elektrolyten kann eine weitere Veränderung und Anpassung der Elektrolytviskosität durch Zugaben von Verdickungsmitteln und Geliermitteln erreicht werden. Die gelierten Elektrolyten sollte spezifische (Ionen)-Leitfähigkeiten zwischen 3 und 15 mS/cm bei Raumtemperatur oder etwa 25°C aufweisen.
Es kann bevorzugt sein, die Elektroden vor der Batteriemontage mit einem nicht gelierten Elektrolyten zu beschichten oder zu imprägnieren, um einen guten Ionentransport innerhalb der Elektrode und gute Elektrolytkontinuität zwischen Elektrode und Separationsschicht sicherzustellen. Aus ähnlichen Gründen können, wenn poröse Partikel verwendet werden, diese vor dem Einbau in den Gelelektrolyten mit einem nicht gelierten Elektrolyten imprägniert werden, um sicherzustellen, dass ihre Porenräume mit Elektrolyt gefüllt werden und ihre Ionenleitfähigkeit erhöhen.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung sind nachfolgend beschrieben, während noch weitere für Fachleute auf dem technischen Gebiet auf der Grundlage der in dieser Patenbeschreibungen bereitgestellten Beschreibung ohne weiteres offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt im Querschnitt eine schematische Teilansicht einer beispielhaften Lithium-Ionen-Zelle, die eine partikeldispergierte Separatorschicht veranschaulicht, wobei die Partikel allgemein monodisperse, kugelförmige Partikel sind.
2 zeigt im Querschnitt eine schematische Teilansicht einer beispielhaften Lithium-Ionen-Zelle, die eine partikeldispergierte Separatorschicht veranschaulicht, wobei die Partikel allgemein gleichachsige, gleichmäßig dimensionierte Partikel sind.
3 zeigt im Querschnitt eine schematische Teilansicht einer beispielhaften Lithium-Ionen-Zelle, die eine partikeldispergierte Separatorschicht veranschaulicht, wobei die Partikel allgemein gleichachsige, durch teilweises Sintern monodisperser, kugelförmiger Partikel gebildete, gleichmäßig dimensionierte Partikel sind.
4 zeigt in schematischem Teilquerschnitt die Aufbringung einer gleichmäßig dicken Schicht eines gelierten Elektrolyten, der eine Teil-Monoschicht von allgemein gleichmäßig dispergierten, gleichachsigen Partikeln enthält, auf eine glatte Anode von einer Lithium-Ionen-Zelle.
5 zeigt in schematischem Teilquerschnitt die Aufbringung einer gleichmäßig dicken Schicht eines gelierten Elektrolyten, der zwei Schichten von im Wesentlichen gleichmäßig dispergierten, gleichachsigen und kugelförmigen Partikeln enthält, auf eine glatte Anode von einer Lithium-Ionen-Zelle.
6 zeigt in schematischem Teilquerschnitt einen Partikel enthaltenden gelierten Elektrolyten, der auf einer rauen Anode von einer Lithium-Ionen-Zelle abgelegt ist und einen Anteil einer Monoschicht von allgemein gleichachsigen Partikeln enthält.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer repräsentativen Partikelverteilung auf der Anode und dem Stromkollektor von 6.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden eine/n poröse/n Polymer-Zwischenschicht oder Separator, der sich zwischen der Anode und der Kathode der Zelle befindet, um die Separation der Elektroden zu verstärken und als Schutz gegen interne Kurzschlüsse. Solche Separatoren können, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, nur eine begrenzte Durchdringungsfestigkeit gegenüber elektrisch leitenden Gebilden aufweisen. Solche Gebilde können Feinstoffe oder Schmutz von der Batterieherstellung oder Lithium-Dendriten, Lithium-Vorsprünge umfassen, welche sich auf der Anode über eine gewisse Anzahl von Batterielade/Entlade-Zyklen bilden und sich in den Separator hinein erstrecken. Wenn diese elektrisch leitfähigen Gebilde den vollen Umfang des Zwischenraumes zwischen den Elektroden überspannen können, wird ein lokaler Kurzschluss auftreten, da diese Gebilde eine sehr hohe Stromdichte tragen und schmelzen oder verdampfen, um die elektrische Verbindung zu unterbrechen und den Kurzschluss zu beenden.
Diese lokalen Kurzschlussereignisse können einen plötzlichen Batterietotalausfall in sich möglicherweise nicht begünstigen. Gelegentlich begünstigt der resultierende dramatische lokale Temperaturanstieg jedoch eine weitere Sparatorbeschädigung an der Kurzschlussstelle und löst ein schwerwiegendes und weitreichendes Kurzschlussereignis aus, das zu einem Batterieausfall und schließlich zu einer Temperaturdrift führen kann.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, den porösen Polymerseparator mit einem Anteil einer Monoschicht oder einer Mehrschichtanordnung von elektrisch nicht-leitfähigen Keramikpartikeln zu ersetzen, die als Abstandhalter dienen, um die Elektrodenseparation zu verstärken. Jedes Keramik-Abstandhalterpartikel kann in Kontakt mit seinen Nachbarn stehen, es wird aber bevorzugt, dass die Abstandhalter, bevorzugt um eine mehr oder weniger konstante Distanz, voneinander beabstandet sind. Die maximal zulässige Separationsdistanz zwischen den Partikeln kann auf der Basis der Steifigkeit der Elektrode und deren maximal zulässige Durchbiegung unter Last berechnet werden. Typische Elektroden sind über Bereiche bis zu etwa 50 Mikrometer hinreichend steif, sodass sie nur begrenzte Durchbiegungen von weniger als etwa 1 Mikrometer unter typischen Drücken von bis zu 15 psi in Verbindung mit einem Batteriebetrieb zeigen.
Die allgemeine Anordnung der Batterieelektroden und der Keramik-Abstandshalterpartikel für Teilzellen 10, 10' und 10'' ist in den 1, 2 und 3 gezeigt. Elemente, die alle drei Fig. gemeinsam aufweisen, umfassen: eine Anode 14 und ihren zugehörigen Stromkollektor 12; eine Kathode 16 und ihren Stromkollektor 18; und einen Elektrolyten 20. Die gegenüberstehende Anodenoberfläche 13 wird von der Kathodenoberfläche 15 durch Partikel beabstandet gehalten, die als: kugelförmig oder quasi-kugelförmige Partikel 22 in der Zelle 10 (1); abgewinkelte, allgemein gleichachsige Partikel 24 in Zelle 10' (2) und poröse Partikel 26, die aus teilweise gesinterten kleineren Partikeln 28 gebildet sind, in Zelle 10'' (3) gezeigt sind. Die gegenüberstehenden Elektrodenoberflächen 13 und 15 werden durch einen Druck P, der in entgegengesetzten Richtungen angewendet wird, wie durch die Pfeile 30 und 30' gezeigt, in Kontakt mit jedem der Partikel 22, 24 und 26 gehalten, und innerhalb einer jeden Partikelgruppe 22, 24 und 26 sind die Partikel im Wesentlichen gleich beabstandet und gleich klassiert. Die Größenähnlichkeit der Partikel wird sicherstellen, dass kein Partikel durch die Anwendung des Druckes P übermäßig belastet wird, und dass die gegenüberstehenden Flächen 15 und 13 ungefähr parallel zueinander gehalten werden.
Der innere Widerstand der Batterie wird reduziert und die Batterieleistung wird verbessert, wenn die Anode und Kathode nur um eine geringe Distanz getrennt sind. Es wird daher bevorzugt, dass jedes der Partikel 22, 24 und 26 geeignet bemessen ist, um sicherzustellen, dass die Elektrodenflächen 13 und 15 beabstandet aber in enger Nähe gehalten werden. Wegen des Druckes P von bis zu 15 psi, der während der Batteriemontage angewendet wird, muss die Partikeldichte gewählt werden, um sicherzustellen, dass jede Durchbiegung der Elektroden, die von dem Druck P resultiert, nicht ausreicht, um die Elektrodenflächen 13 und 15 in Kontakt zu bringen. Es ist zu erwarten, dass die Durchbiegung der relativ steifen Elektroden über eine Spanne in der Größenordnung von 50 Mikrometer oder dergleichen nur etwa 1 Mikrometer beträgt, und es wird bevorzugt, den geplanten Abstand zwischen den Elektroden jederzeit aufrechtzuerhalten. Dieser Wert liegt typischerweise zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometer. Mit der erwarteten Belastung und resultierenden Elektrodendurchbiegung infolge der Verdichtung und unter Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit wie auch der Möglichkeit einer teilweisen Partikeleinbettung in den Elektroden wird eine Partikelgröße zwischen etwa 2 und 12 Mikrometer bevorzugt, wenngleich Partikelgrößen bis zu 30 Mikrometer verwendet werden können. Für kugelförmige oder gleichachsige Partikel wird die Partikelgröße gleich dem Partikeldurchmesser oder der größten Abmessung sein. Für zylindrische Kurzfaserpartikel ist die Partikelabmessung der Durchmesser des Zylinders und für verzweigte Partikel der kürzeste Abstand zwischen den Seiten einer konkaven Hülle um die verzweigte Struktur herum. Bei einer Spanne von 50 Mikrometer würde der interpartikuläre Abstand für kugelförmige oder gleichachsige Partikel unter einer gleichmäßigen Partikelverteilung etwa vier Partikeldurchmesser betragen, was zu einem Partikelflächenanteil von etwa 8% und einem Volumenanteil von weniger als 5% führt. Der Flächenanteil ist bedeutsam, da der Elektrodenbereich im Schatten des Partikels weniger Lithium-Ionen empfangen und aufnehmen kann als nicht beschattete Bereiche und somit einen geringeren Beitrag zu dem Strom leistet, der von der Batterie geliefert wird. Für eine maximale Batterieleistung wird ein kleiner Partikelflächenanteil bevorzugt.
Der angeführte geringe Partikelflächenanteil basiert jedoch auf einer gleichmäßigen Partikelbeladung. Diese ist unwahrscheinlich. Die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und der aufgerauten Oberfläche der Elektrode wird die Tendenz zeigen, eine Partikelentmischung und ungleichmäßige Partikelbeladung zu begünstigen. Die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts von Elektrode zu Elektrode ist von der maximalen Spanne irgendwo auf den Elektrodenflächen abhängig, sodass jede Entmischung an irgendeiner Stelle auf der Elektrode eine Verdünnung der Partikeldichte anderswo zur Folge haben wird, was zu einem größeren Abstand von Partikel zu Partikel und einer längeren Elektrodenspanne führen wird. Um dieser Verdünnung entgegenzuwirken, können Partikel im Überschuss zugefügt werden, sodass selbst bei einer gewissen Entmischung zumindest ein minimaler Partikelabstand überall auf der Elektrode aufrechterhalten wird. Ein Partikelvolumenanteil von bis zu etwa 20% würde einem Flächenanteil von etwa 30% entsprechen und würde die Batterieleistung nicht übermäßig beeinträchtigen. Die Größe der Partikel kann ausgewählt werden, um einen bevorzugten Mindest-Sicherheitsabstand zwischen den gegenüberstehenden Elektrodenoberflächen sicherzustellen. Je größer aber die Elektrodenseparation ist, desto größer ist der innere Widerstand der Batterie. Sobald eine Elektrodenseparation gewährleistet ist, kann somit unter Berücksichtigung einer Produktionsabweichung ein weiterer Abstand der Elektroden voneinander keinen Nutzen bringen und wird die Batterieleistung verschlechtern, weshalb ein minimaler Elektrodenabstand bevorzugt wird.
Lithium-Ionenzellen-Elektroden werden eine gewisse Oberflächenrauigkeit aufweisen und die unterschiedliche Natur eines jeden der Elektrodenmaterialien bedeutet, dass sich jede Elektrode durch eine separate Rauigkeit auszeichnen kann. Um sicherzustellen, dass die Elektrodenoberflächen, unabhängig davon, wie sie positioniert sind, immer durch die Keramikpartikel auseinander gehalten werden, sollten die Partikel derart bemessen sein, dass ihr Durchmesser für kugelförmige Partikel zumindest so groß ist wie die Summe der Rautiefenabmessungen einer jeden der gegenüberstehenden Elektrodenoberflächen. Auch kann sich zumindest ein Abschnitt eines Partikels in der Elektrodenoberfläche einbetten. Dies ist wünschenswert, um die Partikel in Position festzuhalten, ist aber ein weiterer Faktor, der bei der Auswahl einer geeigneten Partikelgröße zu berücksichtigen ist, die dem Ziel genügt, nur einen kleine Separation zwischen den Elektroden über die gesamte Lebensdauer der Batterie beständig aufrechtzuerhalten, ohne dass das Risiko eines Kontakts von Elektrode zu Elektrode besteht.
Geeignete, elektrisch isolierende Keramikpartikel können Oxide, Nitride oder Carbide umfassen. Beispielhafte, aber nicht einschränkende Zusammensetzungen, umfassen TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO und CaO, kubisches Bornitrid und Siliziumcarbid oder Mischungen aus solchen Partikeln. Es wird bevorzugt, dass die Partikel eine enge Größenverteilung aufweisen, und dass sie zur einfacheren Anwendung kugelförmig oder gleichachsig sind, wenngleich auch allgemein zylindrische Kurzfaserpartikel oder mittelmäßig verzweigte Partikel oder Partikelketten ausreichend sein können. Monodisperse Partikel können geeignet sein. Es wurden monodisperse quasi-kugelförmige Oxidpulver aus z. B. SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und Ta₂O₅, z. B. durch kontrollierte Hydrolyse eines Metallalkoxids in einer verdünnten Alkohollösung hergestellt, aber viele monodisperse Partikel weisen Abmessungen von etwa einem Mikrometer oder weniger auf, die möglicherweise zu klein sind, um selbst die glattesten Elektroden mit Rauigkeiten zwischen 1 und 2 Mikrometer Ra zu versorgen. Es wurden jedoch einige monodisperse Siliziumoxidpartikel mit Durchmessern von bis zu 6 Mikrometer hergestellt, und diese können geeignet sein.
Alternativ können geeignet dimensionierte Partikel durch Zerkleinern eines Vollmaterials, gefolgt von einer Klassierung, hergestellt werden. Die Klassierung größerer Partikel kann mithilfe von Sieben erfolgen, während bei feineren Partikeln Sedimentations- oder Flotationstechniken verwendet werden können. Die Abschattung kann mithilfe poröser Partikel minimiert werden welche einen Elektrolyten in den Poren aufnehmen und den Durchgang einiger Ionen durch die Poren hindurch zulassen, um einen größeren Ionenzugang zu der Elektrode zu gestatten. Geeigneterweise können mikroporöse Partikel wie z. B. Zeolithe vorgesehen werden, vorausgesetzt die Porengröße ist geeignet, die Diffusion der Ionen unter dem elektrischen Feld über die Elektrolytlösung hinweg unterzubringen. Alternativ können makroporöse Partikel, die durch Kolloidschablonierung gebildet werden, oder poröse Partikel, die durch teilweises Sintern feiner Partikel gebildet werden, die hinreichend sind, um verbindende Hälse zwischen Aneinanderstoßenden zu bilden, gefolgt von einer Zerkleinerung und Klassierung, wie in 3 gezeigt, verwendet werden.
Die herkömmlichen nicht-wässrigen Elektrolyten, die in Lithium-Ionen-Batterien der gängigen Praxis verwendet werden, weisen eine relativ geringe Viskosität auf und werden als fließfähige Flüssigkeiten in die vormontierte Batterie mit ihrem vor-angeordneten porösen Polymerseparator gefüllt. Einem ähnlichen Ansatz, einer Partikel-Vor-Anordnung, könne gefolgt werden, wenn Partikel als Separatoren verwendet werden, da die Partikel, sobald sie positioniert sind, durch zumindest Reibung oder durch teilweises Selbsteinbetten unter dem Montagedruck in eine, die andere oder beide Elektrodenoberflächen in Position gehalten werden. Das Anordnen der Partikel stellt jedoch eine große Herausforderung dar: die Partikel sollten allgemein über der gesamten Elektrodenoberfläche verteilt sein; die Abstände zwischen den Partikeln sollten weniger als etwa 50 Mikrometer betragen; und die Partikel können abhängig von der Größe der Partikel relativ zu dem gewünschten Elektrodenabstand und dem erwünschten Abstand zwischen den Partikeln als ein Anteil einer Monoschicht oder als mehrere übereinander liegende Schichten verteilt werden. Auch andere Faktoren wie die Wahrscheinlichkeit einer Dendritbildung, der Einbau von Fremdstoffen oder die Toleranz gegenüber unsachgemäßer Handhabung sprechen für einen Wert in einem engeren Partikelabstand oder mehrere Schichten von Partikeln.
Es stellt eine Herausforderung dar, diese Anforderungen durch das Aufbringen eines trockenen Pulvers auf eine Elektrode zu erfüllen. Diesen Anforderungen kann aber durch Bilden einer gleichmäßigen Verteilung von Partikeln in einem viskosen oder gelförmigen Elektrolyten und Ablegen einer Schicht des Elektrolyten mit einer kontrollierten Dicke entsprochen werden. Das Aufbringen solch einer dünnen kontrollierten Elektrolytschicht und ihrer zugehörigen Partikel wird mithilfe eines Streichmessers, eines Schlitzdüsenwerkzeugbeschichters oder einer Kommastreichmaschine oder einer ähnlichen Technik problemlos bewerkstelligt. Die Dicke des Elektrolyten sollte etwa gleich, aber größer als die maximale Partikelbeschichtungsdicke und in keinem Fall kleiner als die maximale Partikelgröße sein, um zu vermeiden, dass sich Partikel in dem Verteiler fangen.
Der Elektrolyt sollte eine Viskosität von etwa 100 cP aufweisen, um das Fließen unter der Schwerkraft während der Batteriemontage zu minimieren, aber bei einer geeigneten praktischen Umsetzung können Elektrolyten mit Viskositäten von nur 30 cP verwendet werden. Es wird ein gewisses Auslaufen und Herausquetschen des Elektrolyten stattfinden, wenn die gegenüberliegende Elektrode in Kontakt mit den Abstandhalterpartikeln gebracht wird, aber es sollte nur zu einer minimalen Verschiebung von Partikeln und Änderungen der relativen Partikelpositionierung kommen. Dem Auslaufen und Herausquetschen des Elektrolyten kann Rechnung getragen werden, indem zusätzlicher Elektrolyt nach der Batteriemontage eingefüllt wird, und es kann, falls erforderlich, eine Überschusskonzentration von Partikeln in dem Elektrolyten verwendet werden, um die gewünschte Partikelverteilung nach der Batteriemontage zu erreichen.
Eine Monoschicht oder ein Anteil einer Monoschichtverteilung kann, wenn sie/er auf einer glatten Oberfläche abgeschieden wird, eine allgemein gleichmäßige Dispersion von Partikeln zur Folge haben, wie in der Teilansicht in 4 gezeigt. Ein Streichmesser 34 legt, wenn es sich in Richtung des Pfeils 36 in eine allgemein gleichmäßige Dispersion von im Wesentlichen gleichachsigen Partikeln 24 und einen gelierten Elektrolyten 32 bewegt, eine gleichmäßige Schicht mit einer Dicke „h” des gelierten Elektrolyten 32 mit im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Partikeln 24 ab. Die Gelschicht ist auf die Anode 14 aufgebracht gezeigt, welche auf einem Stromkollektor 12 aufgebracht ist, aber es ist eine Aufbringung auf die Kathode 16 (1–3) in ähnlicher Weise geeignet.
Es kann eine mehrschichtige Partikelbeschichtung auf ähnliche Weise aufgebracht werden, wie in 5 gezeigt, indem die Höhe des Streichmessers 34 über der Anode 14 auf „H” eingestellt wird und die Partikelkonzentration erhöht wird. Dieses Beispiel dient auch dazu, den Umfang der Erfindung zu illustrieren und insbesondere, dass die Erfindung nicht auf Partikel einer bestimmten Form oder Zusammensetzung beschränkt ist. Einige Partikel sind als kugelförmig, beispielsweise 25 gegenüber den unregelmäßigen, allgemein gleichachsigen Partikeln 24 dargestellt, die sowohl in dieser Fig. als auch in 4 gezeigt sind. Auch sind einige Partikel durch die Art der Schraffur als solche gezeigt, die eine Zusammensetzung, z. B. 24 und 25', aufweisen, während andere 25 eine zweite Zusammensetzung aufweisen.
Die obigen Beispiele veranschaulichen eine Partikelabscheidung auf einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche. Allerdings weist der Elektrolyt 32 auf einer raueren Oberfläche, wie z. B. der in 6 schematisch dargestellten, eine ebene Oberfläche aber eine variable Tiefe, eine größere Tiefe an den tiefen Regionen oder Vertiefungen der Elektrodenoberfläche, z. B. 38, und eine geringere Tiefe an den Spitzen 40 auf. Auch können die Partikel dazu neigen, bevorzugt in den tiefen Regionen oder Vertiefungen 38 in der Oberfläche abgeschieden zu werden, wodurch eine ungleichmäßige Partikeldispersion auf der Oberfläche erzeugt und größere interpartikuläre Abstände geschaffen werden. Je größer der interpartikuläre Abstand, desto größer ist die Elektrodendurchbiegung unter Belastung. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung eine repräsentative Ansicht, wie Partikel 24 auf der Oberfläche der Anode 14 verteilt sein könnten, wenn die Partikeldichte geeignet ist, um die Partikel als einen Anteil einer Monoschicht zu verteilen.
In Batterien mit engen Toleranzen kann die größere Elektrodendurchbiegung, die aus einem größeren Zwischenpartikelabstand folgen kann, einen Kontakt von Elektrode zu Elektrode und einen inneren Kurzschluss zur Folge haben. Die Auswirkungen der Partikelentmischung können durch Zugabe von überschüssigen Partikeln kompensiert werden. Wenn weniger als eine Monoschichtbelegung erwünscht ist, kann ein Partikelüberschuss von bis zu etwa dem 3-fachen oder ein Partikelvolumenanteil von etwa 20% ohne wesentliche Elektrodenabschattung oder Beeinträchtigung der Batterieleistung, aber dennoch deutlich verbessert gegenüber der gängigen Praxis, untergebracht werden. Bei solch einem Partikelüberschuss kann die durchschnittliche Dicke der Elektrolytschicht um etwa die Rautiefe der Oberflächenrauigkeit erhöht werden, sodass die vergrößerte Elektrolyttiefe die Abscheidung von Partikeln auf den Spitzen 40 ohne weiteres zulassen werden. Solch ein Ansatz kann jedoch zu einem zusätzlichen Herausquetschen führen und kann, da er eine größere Separation von Elektrode zu Elektrode begünstigen wird, die Batterieleistung beeinflussen.
Ein alternativer Ansatz, der einen reduzierten Überschuss von Partikeln erfordert, besteht in der Verwendung von Partikeln mit einem größeren Größenbereich, um mehr kleinere Partikel einzubeziehen. Selbst wenn die Elektrolyttiefe nicht vergrößert wird, würden sich die größeren Partikel, wie in 5 gezeigt, weiter zu den Vertiefungen 38 hin entmischen, während die kleineren Partikel auf den Spitzen 40 abgeschieden werden könnten.
Insbesondere dort, wo weniger als eine Monoschichtpartikelbelegung verwendet wird, sollte die Klassierung der Partikel das Ausmaß berücksichtigen, bis zu welchem die Partikel in die Elektrode/n eingedrückt werden. Solch ein Eindruck ist insofern erwünscht, als er die Partikel vor einem Wandern im Gebrauch geometrisch zurückhält, ist aber unerwünscht, da er die Zwischenelektrodenseparation auf weniger als die nominale Partikelgröße reduziert. Somit muss die Partikelgröße eingestellt werden, um sicherzustellen, dass selbst bei Vorhandensein einer erwarteten Oberflächenrauigkeit und unter Berücksichtigung des Eindrucks der Partikel in der/den Elektrode/n jeglicher erforderliche minimale Zwischenelektrodenabstand aufrechterhalten wird.
Die Gesamtleistung einer solchen Batterie wird von dem Elektrodenabstand und dem Widerstand des Elektrolyten, oder genauer, da der Elektrolyt ein Gel-Partikel-Verbundstoff ist, dem flächenspezifischen Widerstand des Verbundstoffes abhängig sein. Es wird bevorzugt, dass der gelierte Elektrolyt selbst eine Leitfähigkeit zwischen 3 und 15 mS/cm bei Umgebungstemperatur oder etwa 25°C oder ähnlich aufweist. Diese Elektrolyteigenschaften sind kompatibel mit einem Partikelflächenanteil von bis zu etwa 30% und einer Elektrodenseparation von bis zu 30 Mikrometer.
Die praktische Umsetzung der Erfindung wurde durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen veranschaulicht, die als beispielhaft und nicht als einschränkend zu betrachten sind. Der volle Schutzumfang der Erfindung soll nur durch die nachfolgenden Ansprüche definiert und begrenzt sein.

Claims

Lithium-Ionen-Batterie, umfassend eine Anode mit einer Oberfläche und eine Kathode mit einer Oberfläche, wobei die Anodenoberfläche und die Kathodenoberfläche nur durch eine Vielzahl von im Wesentlichen gleichmäßig dispergierten, elektrisch nicht-leitfähigen Keramikpartikeln mit charakteristischen Abmessungen zwischen 2 und 30 Mikrometer, die als zumindest ein Anteil einer Monoschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenoberfläche angeordnet sind, in voneinander beabstandeter Opposition gehalten sind; wobei die für die Partikel charakteristische Abmessung das Ausmaß der Anoden-Kathoden-Separation im Wesentlichen verstärkt; und wobei die voneinander beabstandeten Anoden- und Kathodenoberflächen zwischen sich einen nicht-wässrigen Lithium leitenden Elektrolyt in ionischem Kontakt mit den Partikeln, der Anode und der Kathode begrenzen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Partikel ein oder mehrere Oxide aus der Gruppe sind, welche aus TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO und CaO besteht.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ein Geliermittel in einer Menge umfasst, die ausreicht, um eine Elektrolytviskosität zwischen etwa 30 cP und 100 cP zu ermöglichen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei der Elektrolyt ein glasartiges eutektisches Gemisch umfasst, das durch die Formel AxBy repräsentiert ist, wobei A ein Salz ist, das aus einem Lithium-Fluorsulfonimid oder einem Lithium-Fluorsulfonamid gewählt ist, und B ein Lösungsmittel ist, das aus einem Alkyl-Sulfonamid oder einem Aryl-Sulfonamid gewählt ist.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die spezifische Leitfähigkeit des Elektrolyten in einem Bereich von etwa 3 bis 15 mS/cm bei Umgebungstemperatur liegt.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend eine Anode mit einer Anodenoberfläche und eine Kathode mit einer Kathodenoberfläche, wobei die Anodenoberfläche und die Kathodenoberfläche nur durch eine Vielzahl von elektrisch nicht-leitfähigen Keramikpartikeln, die als zumindest ein Anteil einer Monoschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenoberfläche angeordnet sind, in voneinander beabstandeter Opposition gehalten sind, wobei die Anoden- und Kathodenoberflächen zwischen sich einen nicht-wässrigen Lithium leitenden Elektrolyt in ionischem Kontakt mit den Partikeln, der Anode und der Kathode begrenzen, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein vorbestimmter Volumenanteil von elektrisch nicht-leitfähigen Partikeln mit charakteristischen Abmessungen zwischen 2 und 30 Mikrometer in einem Elektrolyt mit einer Viskosität im Bereich von etwa 30 cP bis 100 cP im Wesentlichen gleichmäßig verteilt wird, um ein Elektrolyt-Partikel-Gemisch mit einer spezifischen Ionenleitfähigkeit zwischen 3 und 15 mS/cm zu bilden; eine Schicht des Elektrolyt-Partikel-Gemisches mit einer vorbestimmten Dicke auf eine oder beide von der Anoden- und der Kathodenoberfläche aufgebracht wird; und die Anodenoberfläche in ausgerichteter Opposition zu der Kathodenoberfläche angeordnet wird und zumindest ein hinreichender Druck auf die Anode und die Kathode angewendet wird, um die Anodenoberfläche und die Kathodenoberfläche in Kontakt mit den Partikeln zu positionieren.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte Dicke der Schicht aus dem Elektrolyt-Partikel-Gemisch im Wesentlichen gleich wie, aber größer als die Partikelschichtdicke ist.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 6, wobei die Partikel ein oder mehrere Oxide aus der Gruppe sind, welche aus TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO und CaO besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 6, wobei der Elektrolyt ein Geliermittel umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 9, wobei der Elektrolyt ein glasartiges eutektisches Gemisch umfasst, das durch die Formel AxBy repräsentiert ist, wobei A ein Salz ist, das aus einem Lithium-Fluorsulfonimid oder einem Lithium-Fluorsulfonamid gewählt ist, und B ein Lösungsmittel ist, das aus einem Alkyl-Sulfonamid oder einem Aryl-Sulfonamid gewählt ist.