DE102012216055A1

DE102012216055A1 - Lithium-Ionen-Zelle mit anorganischem Ionenaustauscher

Info

Publication number: DE102012216055A1
Application number: DE102012216055.8A
Authority: DE
Inventors: Ingo Zeitler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-03-13
Also published as: WO2014040790A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Alkali-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, welche eine Anode (1), eine Kathode (2) und einen zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordneten Separator (3) umfasst. Um die Lebensdauer und Sicherheit der Zelle zu erhöhen, umfasst mindestens eine zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordnete Schicht (3, 3a, 3b, 1a, 2a) mindestens ein mit Alkaliionen (A+) beladenes, anorganisches Ionenaustauschmaterial (40). Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Separator (3), eine Anode (1) und eine Kathode (2), welche ein mit Alkaliionen (A+) beladenes, anorganisches Ionenaustauschmaterial (40) umfasst sowie Verfahren zu deren Herstellung und ein entsprechend ausgestattetes Energiespeichersystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Alkali-Zelle, einen Separator, eine Anode, eine Kathode, Verfahren zu deren Herstellung sowie ein Energiespeichersystem.
Stand der Technik
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit stark im Fokus der Forschung und Entwicklung für die Anwendung als Energiespeicher für Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybridfahrzeuge, oder für stationäre Energiespeichersysteme.
Für diese Anwendungen ist eine lange Lebensdauer und hohe Sicherheit der Batterie von besonderem Interesse.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Alkali-Zelle, welche eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst.
Unter einer Alkali-Zelle kann dabei insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element verstanden werden, deren elektrochemische Reaktion auf einer Redox-Reaktion eines Alkalimetalls beruht.
Die Alkali-Zelle kann beispielsweise eine Alkali-Interkalationsanode, also eine Anode, die ein Interkalationsmaterial, wie Graphit, umfasst, in welches Alkalimetallatome reversibel eingelagert (interkaliert) und wieder ausgelagert (deinterkaliert) werden können, als auch eine Alkali-Metallanode, welche ein metallisches Alkalimetall oder eine Alkalimetalllegierung oder ein mit einem Alkalimetall legierbares Metall/Halbmetall beziehungsweise (Halb-)Metalllegierung umfasst, aufweisen.
Insbesondere kann die Alkali-Zelle eine Lithium-Zelle sein.
Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle beziehungsweise ein galvanisches Element verstanden werden, deren elektrochemische Reaktion auf einer Redox-Reaktion von Lithium beruht.
Um die Lebensdauer und Sicherheit der Zelle zu erhöhen, umfasst mindestens eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Schicht mindestens ein mit Alkaliionen beladenes, anorganisches Ionenaustauschmaterial.
Die Lebensdauer verlängernde Wirkung des Ionenaustauschmaterials beruht darauf, dass festgestellt wurde, dass beim Gebrauch von Hochenergie-Alkali-Batterien, insbesondere Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien, an der Kathode häufig eine Auflösung von zweiwertigen und/oder mehrwertigen Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, aus dem Aktivmaterial der Kathode in dem Elektrolyten auftritt. Zudem kann vor allem auch auf der Kathodenseite eine Oxidation des Elektrolyten auftreten, bei der protische Abbauprodukte entstehen können. Die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte beziehungsweise Alterungsprodukte können bei herkömmlichen Zellen in dem Elektrolyten durch den Separator hindurch zu der Anode diffundieren und dort abgeschieden werden und/oder zu einer Vergiftung der Anode, beispielsweise durch einen, insbesondere katalytischen, Abbau des auf der Anode gebildeten Schutzfilms, die so genannten SEI (Englisch: Solide Electrolyte Interface), und damit zu einer beschleunigten Zellalterung führen. Da bei der erfindungsgemäßen Zelle jedoch mindestens eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Schicht das alkaliionenbeladene, anorganische Ionenaustauschmaterial umfasst, müssen kathodenseitig gebildete Abbauprodukte zunächst das alkaliionenbeladene, anorganische Ionenaustauschmaterial passieren. An dem alkaliionenbeladenen, anorganischen Ionenaustauschmaterial verdängen jedoch sowohl zweiwertige und mehrwertige Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, als auch Protonen die beladenen Alkaliionen und werden unter Freisetzung von Alkaliionen an dem Ionenaustauschmaterial gebunden und somit vor dem Erreichen der Anode abgefangen und unschädlich gemacht. Nach dem Passieren des Ionenaustauschmaterials können daher nur noch Alkaliionen zu der Anode diffundieren. Auf diese Weise kann eine Diffusion sowohl von zweiwertigen und mehrwertigen Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, als auch Protonen zu der Anode zumindest deutlich verringert oder sogar ganz unterbunden werden, insbesondere ohne dabei die Diffusion von Alkaliionen zu behindern. Eine Abscheidung von zweiwertigen und mehrwertigen Metallen, wie Mangan, Nickel und Cobalt, an der Anode und/oder eine Vergiftung der Anode durch die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte und insbesondere ein Abbau des SEI-Schutzfilms sowie eine damit verbundene Zellalterung können so vorteilhafterweise vermieden und damit die Lebensdauer der Zelle deutlich verlängert werden.
Vorteilhafterweise tragen dabei die durch den Ionenaustausch freigesetzten Alkaliionen zusätzlich zu einer Verlängerung der Lebensdauer bei, da durch diese Verlust von Alkaliionen, welche in der Zelle kontinuierlich zum Aufbau des SEI-Schutzfilms beziehungsweise zur Reparatur von Alterungsrissen in dem SEI-Schutzfilm auf der Anode verbraucht werden, kompensiert und so die Lebensdauer auch auf diese Weise verlängert werden kann.
Zudem kann durch das alkaliionenbeladene, anorganische Ionenaustauschmaterial die Sicherheit der Zelle erhöht werden, da die das Ionenaustauschmaterial enthaltende Schicht aufgrund der anorganischen Beschaffenheit des Ionenaustauschmaterials auch die Funktion einer Sicherheitsschicht, einer so genannten Safety-Function-Layer, erfüllt, in dem es eine mechanisch stabilisierende und gegebenenfalls auch separierende Funktion übernimmt. Auf diese Weise kann zum Einen ein polymeres Separatormaterial, beispielsweise eines Polyethylen-(PE)-Separators, welches Partikel des anorganischen Ionenaustauschmaterials enthält und/oder mit diesen beschichtet ist und ansonsten beispielsweise bereits bei Temperaturen von > 100°C irreversible Schrumpfungen und Verformungen zeigen könnte, thermisch stabilisiert werden und durch das anorganische Ionenaustauschmaterial zum Beispiel selbst bei einem Defekt der polymeren Separatorschicht noch eine die Anode und Kathode separierende Schicht aufrechterhalten werden. Zum Anderen kann gegebenenfalls auch eine Schicht aus dem alkaliionenbeladenen, anorganischen Ionenaustauschmaterial selbst als Separator fungieren, so dass gegebenenfalls auf den Einsatz von temperaturempfindlichen, polymeren Separatormaterialien verzichtet werden kann. Durch die mechanisch stabilisierende und gegebenenfalls separierende Wirkung des anorganischen Ionenaustauschmaterials kann vorteilhafterweise ein thermisches Durchgehen der Zelle (Englisch: Thermal Runaway) vermieden und somit die Sicherheit der Zelle erhöht werden. Durch das anorganische Ionenaustauschmaterial kann dabei zudem auch auf den Einsatz von chemisch unfunktionalen, ausschließlich zur Erhöhung der mechanischen Stabilität dienenden anorganischen Partikeln verzichtet werden, wodurch vorteilhafterweise Gewicht und Kosten sowie die Energiedichte optimiert werden können.
Es ist möglich, dass das Ionenaustauschmaterial mit Ionen eines Alkalimetalls zu beladen, welches unterschiedlich von dem Alkalimetall ist, auf dem die elektrochemische (Redox-)Reaktion der Zelle beruht beziehungsweise welches unterschiedlich vom Alkalimetall der Katode und/oder der Anode und/oder des Elektrolyten ist. Alkalimetalle neigen im Gegensatz zu zweiwertigen und mehrwertigen Metallionen kaum zu einer katalytischen Wirkung, weswegen auch durch eine Beladung mit andersartigen Alkaliionen ein positiver Effekt erzielt werden kann.
Dadurch, dass das Ionenaustauschmaterial mit Ionen des (gleichen) Alkalimetalls beladen ist, auf welchem auch die elektrochemische (Redox-)Reaktion der Zelle beruht beziehungsweise welches das gleiche Alkalimetall wie das Alkalimetall der Kathode und/oder der Anode und/oder des Elektrolyten ist, können jedoch vorteilhafterweise unerwünschte Nebenreaktionen minimiert oder vollständig ausgeschlossen und zudem der zuvor beschriebene Reparatureffekt am SEI-Schutzfilm erzielt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist daher das mindestens eine Ionenaustauschmaterial mit Ionen des Alkalimetalls beladen, auf welchem (auch) die elektrochemische (Redox-)Reaktion der Zelle beruht.
Wie bereits erläutert, kann es sich bei der Zelle insbesondere um eine Lithium-Zelle handeln. Die Anode der Zelle kann dabei zum Beispiel mit Lithium interkalierbar und/oder legierbar beziehungsweise lithiuminterkalationsfähige und/oder lithiumlegierungsfähig/lithiumalloyfähig sein. Beispielsweise kann die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere mit einer Lithiuminterkalationsanode, zum Beispiel mit Graphit als Interkalationsmaterial, oder eine Lithium-Metall-Zelle, insbesondere mit einer Lithiummetallanode, welche metallisches Lithium oder eine Lithiumlegierung umfasst, oder mit einer Lithiumlegierungsanode, welche ein mit lithiumlegierbares Metall/Halbmetall, zum Beispiel Silizium, oder eine mit Lithium legierbare (Halb-)Metalllegierung, zum Beispiel eine Siliziumlegierung, umfasst oder daraus ausgebildet ist, sein. Insbesondere kann die Zelle eine (wiederaufladbare) Sekundärzelle sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher die Zelle eine Lithium-Zelle und das mindestens eine Ionenaustauschmaterial mit Lithiumionen beladen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Anode eine Lithiuminterkalationsanode, zum Beispiel auf der Basis von Graphit, oder eine Lithiumlegierungsanode, zum Beispiel auf der Basis von Silizium.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere mit einer Lithiuminterkalationsanode. Insbesondere kann daher die Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle und das mindestens eine Ionenaustauschmaterial mit Lithiumionen beladen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes, beispielsweise lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes, beispielsweise lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat sein.
Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen, Zeolithen umfassen. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen, beispielsweise lithiumionenbeladenen, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener, beispielsweise lithiumionenbeladener, Zeolith sein. Zeolithe haben sich als Ionenaustauschmaterial als besonders vorteilhaft erwiesen, da durch diese sowohl ein Trocknungseffekt als auch ein säureabfangender Effekt erzielt werden kann. Durch den Einsatz eines getrockneten Zeolithen können daher vorteilhafterweise auch im Elektrolyten befindliches oder entstehendes Wasser sowie Elektrolyten befindlicher oder entstehender Fluorwasserstoff (HF) absorbiert und dadurch für die Zelle und deren Umgebung unschädlich gemacht werden. Die Absorption von Wasser und Fluorwasserstoff wirkt sich dabei weiterhin vorteilhaft auf eine Steigerung der Lebensdauer aus.
Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Alkali-Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium-Zeolithen, umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium und/oder Natrium. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, beispielsweise ein Lithium-Zeolith und/oder ein Natrium-Zeolith, sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Lithium-Zeolith. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein. Lithium-Zeolithe haben sich für Lithium-Zellen als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie sowohl zweiwertige und mehrwertige Metallionen, wie Mangan-, Nickel- und Cobalt-Ionen, als auch Protonen abgefangen und unschädlich machen können und dabei Lithiumionen freisetzen, welche an der Anode keine unerwünschte Nebenreaktionen verursachen und zudem vorteilhafterweise den SEI-Schutzfilm aufbauen beziehungsweise reparieren können.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Separator das mindestens eine Ionenaustauschmaterial. Auf diese Weise kann der Separator vorteilhafterweise wie ein selektives lonensieb wirken und schädliche Stoffe, wie zweiwertige und mehrwertige Metallionen, zum Beispiel Manganionen, aus dem Elektrolyten filtrieren.
Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aufweisen, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst.
Zum Beispiel kann der Separator ein Polymerseparator, zum Beispiel ein Polyolefin-Separator, beispielsweise ein Polyethylen- und/oder Polypropylen-Separator, sein, in dessen Matrix Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials eingebracht sind und/oder der, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer das mindestens eine Ionenaustauschmaterial enthaltenden oder daraus ausgebildeten Beschichtung versehen ist, oder ein aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildeter Separator sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist das mindestens eine Ionenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials, in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial des Separators eingebracht. Als Matrixmaterial können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien als Matrixmaterial eingesetzt werden. Insbesondere kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Matrixmaterial, aufweisen, in dessen Matrix das mindestens eine Ionenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials, eingebracht ist beziehungsweise sind.
Im Rahmen einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung der Ausführungsform weist der Separator mindestens eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere einseitig oder beidseitig, eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Material, aufweisen, welche, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer Beschichtung versehen ist, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Dabei kann die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht sowohl das mindestens eine Ionenaustauschmaterial enthalten und beispielsweise damit gefüllt sein, als auch ionenaustauschmaterialfrei sein. Als polymeres Material für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht eingesetzt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung der Ausführungsform weist der Separator eine Schicht, insbesondere eine Ionenaustauschmaterialschicht, auf, welche aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann der Separator dabei nur diese (Ionenaustauschmaterial-)Schicht aufweisen beziehungsweise daraus bestehen. Mit anderen Worten, die (Ionenaustauschmaterial-)Schicht kann als Separator dienen beziehungsweise der Separator sein.
Unter ausgebildet kann insbesondere verstanden werden, dass die Schicht/Beschichtung im Wesentlichen, beispielsweise zu mehr als 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht, aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial besteht und nur geringe Mengen anderer Stoffe, beispielsweise an Bindemitteln, umfasst. Zum Beispiel kann eine aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildete Schicht/Beschichtung größer oder gleich 95 Gew.-%, gegebenenfalls sogar größer oder gleich 98 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht/Beschichtung, an dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial umfassen. Gegebenenfalls kann eine aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildete Schicht beziehungsweise Beschichtung, insbesondere geringe Mengen, eines Bindemittels enthalten, welches zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), Polyimide, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrolbutadien-Kautschuk (SBR) und/oder Polyacrylate umfassen kann.
Es ist jedoch ebenso möglich direkt die Elektroden mit dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial zu beschichten.
Im Rahmen einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform weist daher die Anode und/oder die Kathode eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Insbesondere kann dabei die der Kathode zugewandte Seite der Anode und/oder die der Anode zugewandte Seite der Kathode eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Die Beschichtung kann dabei sowohl zusätzlich zu einem Separator, beispielsweise Ionenaustauschmaterial gefüllten und/oder beschichteten oder daraus ausgebildeten, Separator, vorgesehen sein als auch selbst, zum Beispiel als einziger, Separator dienen.
Weiterhin kann die Zelle insbesondere einen Elektrolyten umfassen. Der Elektrolyt kann insbesondere mindestens ein Elektrolytlösungsmittel und mindestens ein Leitsalz umfassen. Das mindestens eine Elektrolytlösungsmittel kann zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe der organischen Carbonate, wie Ethylencarbonat und/oder Dimethylcarbonat, Ether und Mischungen davon. Das mindestens eine Leitsalz kann beispielsweise ein lithiumhaltiges Leitsalz, zum Beispiel Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), sein.
Die Kathode kann als, insbesondere elektrochemisch aktives, Kathodenmaterial beispielsweise eines oder mehrere Metalloxide, zum Beispiel Nickel- und/oder Cobalt- und/oder Mangan-Oxid, beispielsweise Nickelcobaltmanganoxid (NMC), aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Zelle kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Separator für eine Alkali-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Zelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Metall-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welcher mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial umfasst. Insbesondere kann der Separator mindestens ein mit Lithiumionen beladenes oder beladbares anorganisches Ionenaustauschmaterial umfassen.
Unter einem mit Alkaliionen beziehungsweise Lithiumionen beladbaren Ionenaustauschmaterial kann insbesondere ein Ionenaustauschmaterial verstanden werden, welches mit Ionen, beispielsweise Ammoniumionen, beladen ist, die gegen Alkaliionen beziehungsweise Lithiumionen ausgetauscht werden können.
Dies ermöglicht es vorteilhafterweise auch Ionenaustauschmaterialien zu verwenden, welche zunächst mit anderen Ionen als Alkaliionen, beispielsweise Ammoniumionen, beladen sind und welche beispielsweise mittels Ionenaustausch mit den gewünschten Alkaliionen beladen und in die gewünschten alkaliionenbeladenen Ionenaustauschmaterialien überführt werden können. So kann vorteilhafterweise die Materialauswahl vergrößert werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Alkali-Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium-Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein. Ammonium-Zeolithe können vorteilhafterweise durch einen Ionenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Lithium-Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein.
Zum Beispiel kann der Separator mindestens eine Schicht aufweisen, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Ionenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials, in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial des Separators eingebracht. Als Matrixmaterial können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien als Matrixmaterial eingesetzt werden. Insbesondere kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Matrixmaterial, aufweisen, in dessen Matrix das mindestens eine Ionenaustauschmaterial, insbesondere Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials, eingebracht ist.
Im Rahmen einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung weist der Separator mindestens eine Beschichtung auf, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere einseitig oder beidseitig, eine Beschichtung aufweisen, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Separator eine Schicht aus einem, insbesondere polymeren, Material, aufweisen, welche, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer Beschichtung versehen ist, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Dabei kann die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht sowohl das mindestens eine Ionenaustauschmaterial enthalten und beispielsweise damit gefüllt sein, als auch ionenaustauschmaterialfrei sein. Als polymeres Material für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht können zum Beispiel Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch andere organische Materialien oder anorganische Materialien für die mit der beziehungsweise den Beschichtung/en versehene Schicht eingesetzt werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung weist der Separator eine Schicht, insbesondere eine Ionenaustauschmaterialschicht, auf, welche aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann der Separator dabei nur diese (Ionenaustauschmaterial-)Schicht aufweisen beziehungsweise daraus bestehen. Mit anderen Worten, die (Ionenaustauschmaterial-)Schicht kann als Separator dienen beziehungsweise der Separator sein.
Zum Beispiel kann der Separator ein Polymerseparator, beispielsweise ein Polyolefin-Separator, wie ein Polyethylen- und/oder Polypropylen-Separator, sein, in dessen Matrix Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials eingebracht sind und/oder der, insbesondere einseitig oder beidseitig, mit einer das mindestens eine Ionenaustauschmaterial enthaltenden oder daraus ausgebildeten Beschichtung versehen ist, oder ein aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial ausgebildeter Separator sein.
Ein erfindungsgemäßer Separator kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Separators wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anode oder Kathode für eine Alkali-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Zelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Metall-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welche eine Beschichtung aufweist, die mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist. Insbesondere kann die Anode oder Kathode eine Beschichtung aufweisen, welche mindestens ein Lithiumionen beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial umfasst oder daraus ausgebildet ist.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Alkali-Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium-Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein. Ammonium-Zeolithe können vorteilhafterweise durch einen Ionenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Lithium-Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein.
Insbesondere kann eine Seite der Anode oder Kathode mit der Beschichtung versehen sein beziehungsweise die Anode oder Kathode kann einseitig mit dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial beschichtet sein. Insbesondere kann dabei diejenige Seite der Anode, welche im Zellaufbau der Kathode zugewandte ist, und/oder diejenige Seite der Kathode, welche im Zellaufbau der Anode zugewandt ist, die Beschichtung aufweisen.
Ein erfindungsgemäße Anode und/oder Kathode kann beispielsweise durch das später erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anode oder Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode und/oder Kathode sowie einer erfindungsgemäßen Zelle.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Kathode, kann insbesondere den Verfahrensschritt: Beschichten einer Separator-, Anoden- oder Kathodenschicht, zum Beispiel eines/einer herkömmlichen Separators, Anode oder Kathode, mit einer Beschichtungskomponente, welche mindestens ein mit Alkaliionen beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial umfasst, umfassen.
Das Beschichten kann dabei zum Beispiel durch Sprühen, Tauchen und/oder Bandbeschichten erfolgen. Die Beschichtungskomponente kann dabei neben dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial mindestens ein Bindemittel und gegebenenfalls mindestens ein Lösungsmittel umfassen. Das mindestens eine Bindemittel kann dabei zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefinen, wie Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), Polyimiden, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrolbutadien-Kautschuk (SBR), Polyacrylaten und Kombinationen beziehungsweise Mischungen davon. Das mindestens eine Bindemittel kann dabei zum Einen zum Binden von einzelnen (Pulver-)Partikel des mindestens einen Ionenaustauschmaterials untereinander (Kohäsion) als auch zur Anbindung der dadurch ausgebildeten Schicht an der Separator-, Anoden- beziehungsweise Kathodenschicht (Adhäsion) dienen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators die Verfahrensschritte: Mischen einer Separator-Rohmasse mit mindestens einem mit Alkaliionen beladenen oder beladbaren, anorganischen Ionenaustauschmaterial und Ausbilden einer Separatorschicht aus der Separator-Rohmassen-Ionenaustauschmaterial-Mischung umfassen. Dabei kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial vorteilhafterweise, insbesondere direkt bei der Herstellung des Separators, zum Beispiel in Form eines Pulvers in die Separator-Rohmasse eindispergiert werden. Auf diese Weise hergestellte Separatoren, können dann vorteilhafterweise sehr fein verteiltes Ionenaustauschmaterial beinhalten.
Das mindestens eine Ionenaustauschmaterial kann dabei zum Beispiel ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Silikate und/oder Aluminate. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares, beispielsweise lithiumionenbeladenes oder lithiumionenbeladbares, Silikat und/oder Aluminat sein.
Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithen umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der, insbesondere alkaliionenbeladenen oder alkaliionenbeladbaren, beispielsweise lithiumionenbeladenen oder lithiumionenbeladbaren, Zeolithe. Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein, insbesondere alkaliionenbeladener oder alkaliionenbeladbarer, beispielsweise lithiumionenbeladener oder lithiumionenbeladbarer, Zeolith sein.
Zum Beispiel kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Alkali-Zeolithen, beispielsweise einen Lithium-Zeolithen und/oder einen Natrium-Zeolithen und/oder einen Ammonium-Zeolithen, umfassen. Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Alkali-Zeolithe, beispielsweise der Zeolithe von Lithium, Natrium und/oder Ammonium. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Alkali-Zeolith, zum Beispiel ein Lithium-Zeolith und/oder Natrium-Zeolith und/oder Ammonium-Zeolith, sein.
Ammonium-Zeolithe können vorteilhafterweise durch einen Ionenaustausch mit Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, beladen und in Lithium-Zeolithe beziehungsweise Natrium-Zeolithe umgewandelt werden.
Daher kann das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Separators, einer erfindungsgemäßen Anode beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Kathode, beispielsweise vor oder nach dem Verfahrensschritt des Beschichtens und/oder Mischens, den Verfahrensschritt des Beladens des mindestens einen, insbesondere alkaliionenbeladbaren, anorganischen, Ionenaustauschmaterials mit Alkaliionen mittels Ionenaustausch umfassen. Beispielsweise können dabei Ammoniumionen gegen Lithiumionen und/oder Natriumionen, insbesondere Lithiumionen, ausgetauscht werden.
Insbesondere kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial einen Lithium-Zeolithen umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Ionenaustauschmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe der Lithium-Zeolithe. Zum Beispiel kann mindestens eine Ionenaustauschmaterial ein Lithium-Zeolith sein.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zelle kann insbesondere den Verfahrensschritt: Assemblieren einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und gegebenenfalls einer Separatorschicht zu einer galvanischen Zelle, wobei die Anodenschicht, die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht mindestens ein Alkaliionen beladenes, anorganisches Ionenaustauschmaterial umfasst. Insbesondere können dabei die Anodenschicht, die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht durch ein vorstehend beschriebenes Herstellungsverfahren hergestellt sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines mit Alkaliionen beladenen oder beladbaren, insbesondere mit Lithiumionen beladenen oder beladbaren, anorganischen Ionenaustauschmaterials, beispielsweise eines Alkali-Zeolithen, insbesondere Lithium-Zeolithen, zur Herstellung einer Alkali-Zelle, insbesondere Lithium-Zelle, beispielsweise Lithium-Ionen-Zelle, zum Beispiel zur Herstellung eines Separators und/oder einer Anode und/oder einer Kathode einer solchen Zelle.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie beziehungsweise ein Energiespeichersystem, insbesondere für ein Fahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, oder zum stationären Betrieb, beispielsweise in einem Gebäude, welches (mindestens) eine erfindungsgemäße Zelle, einen erfindungsgemäßen Separator, eine erfindungsgemäße Anode und/oder eine erfindungsgemäße Kathode umfasst. Die Batterie kann insbesondere zwei oder mehr, zum Beispiel eine Vielzahl von, erfindungsgemäßen Zellen aufweisen und beispielsweise eine (wiederaufladbare) Batterie beziehungsweise Sekundärbatterie sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Separator, der erfindungsgemäßen Kathode und/oder Anode, den erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figurenbeschreibung und die Figuren 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
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1,
3 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung weiterer Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Zelle; und
4 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung noch einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle.
1 zeigt eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, welche zwei Elektroden 1, 2, nämlich eine Anode 1 und eine Kathode 2, aufweist. 1 zeigt, dass dabei die Anode 1 und die Kathode 2 durch eine für Alkaliionen permeable Membran, den so genannten Separator 3, räumlich voneinander getrennt sind und keinen direkten elektrischen Kontakt miteinander aufweisen. 1 zeigt weiterhin, dass die Zelle zudem einen Anodenstromableiter 4, beispielsweise aus Kupfer, zum Beispiel in Form einer Kupferfolie, und einen Kathodenstromableiter 5, beispielsweise aus Aluminium, zum Beispiel in Form einer Aluminiumfolie, aufweist, welche jeweils an der äußeren, insbesondere vom Separator 3 beziehungsweise der Gegenelektrode 1, 2 abgewandten, Seite der Anode 1 beziehungsweise der Kathode 2 anliegen.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 und veranschaulicht, dass die Zelle darüber hinaus in einem Elektrolyten (nicht dargestellt) solvatisierte Alkaliionen A⁺ umfasst, bei denen es sich im Fall einer Lithium-Zelle um Lithiumionen (Li⁺) handelt, welche durch den Separator 3 von der Kathode 2 zur Anode 1 und zurück permeieren können. Bei chemisch anders ausgelegten Zellen, können statt Lithiumionen auch Natriumionen (Na⁺) oder Kaliumionen (K⁺) verwendet werden.
Die 1 und 2 zeigen, dass die Anode 1 im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle ein Interkalationsmaterial 10, 11, zum Beispiel Graphit, umfasst, welches bei der Assemblierung der Zelle zunächst lithiumfrei sein kann und erst im ersten Ladezyklus mit Lithiumatomen (Li) A interkaliert werden kann.
2 veranschaulicht, dass sich während des ersten Ladezyklus zudem aus dem lithiumionenhaltigen Elektrolyt ein Schutzfilm 12 auf der Anode 1, die so genannte SEI, ausbildet, welcher 12 aus Abbauprodukten verschiedenster chemischer Zusammensetzung ausgebildet wird, nur wenige Nanometer dick ist und die Anode 1 vor dem Interkalieren von Elektrolytlösungsmittelmolekülen in das Interkalationsmaterial 10, 11, beispielsweise in den Graphit, schützt, was ansonsten zu einer Exfoliierung und Zerstörung des Interkalationsmaterials 10, 11 führen könnte.
Die 1 und 2 zeigen weiterhin, dass die Kathode 2 ein Kathodenmaterial 20 umfasst, bei dem es sich im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle insbesondere um ein Oxid von zwei- und/oder mehrwertiger Metalle, beispielsweise um ein Nickel-, Mangan- und/oder Cobalt-Oxid, zum Beispiel Nickelmangancobaltoxid (NMC), handeln kann.
2 veranschaulicht, dass sich bei derartigen Kathodenmaterialien 20 während des Betriebes zweiwertige und/oder mehrwertige Metallionen Y^x+, wie Manganionen (Mn²⁺), Nickelionen (Ni²⁺) und/oder Cobaltionen (Co²⁺), aus dem Aktivmaterial 20 der Kathode 2 in dem Elektrolyten auflösen können. Zudem kann vor allem auch auf der Kathodenseite eine Oxidation des Elektrolyten auftreten, bei der protische Abbauprodukte (nicht dargestellt) entstehen können. Die kathodenseitig gebildeten Abbauprodukte Y^x+ können bei herkömmlichen Zellen in dem Elektrolyten durch den Separator 3 hindurch zu der Anode 1 diffundieren und dort abgeschieden werden und/oder zu einer Vergiftung der Anode 1, beispielsweise durch einen, insbesondere katalytischen, Abbau der SEI 12 und damit zu einer beschleunigten Zellalterung führen.
2 veranschaulicht, dass eine Diffusion der kathodenseitigen Abbauprodukte Y^x+ durch den Separator 3 zur Anode durch ein erfindungsgemäßes alkaliionenbeladenes A⁺, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li⁺), anorganische Ionenaustauschmaterial 40 verhindert werden kann, welches in 2 sowie in den folgenden 3 und 4 durch Fünfecke schematisiert dargestellt ist. 2 zeigt, dass die kathodenseitigen Abbauprodukte, insbesondere Metallionen, Y^x+ in der erfindungsgemäßen Zelle zunächst das alkaliionenbeladene A⁺, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li⁺), anorganische Ionenaustauschmaterial 40 passieren müssen. An dem alkaliionenbeladenen A⁺, insbesondere lithiumionenbeladenes (Li⁺), anorganischen Ionenaustauschmaterial 40 verdängen jedoch sowohl zweiwertige und mehrwertige Metallionen Y^x+, wie Manganionen (Mn²⁺), Nickelionen (Ni²⁺) und/oder Cobaltionen (Co²⁺), Y^x+ als auch Protonen die beladenen Alkaliionen A⁺, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), und werden unter Freisetzung von Alkaliionen A⁺, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), an dem Ionenaustauschmaterial 40 gebunden. Auf diese Weise werden bei einer erfindungsgemäßen Zelle die kathodenseitigen Abbauprodukte Y^x+ vor dem Erreichen der Anode 1 abgefangen und unschädlich gemacht.
2 zeigt, dass auf diese Weise nach dem Passieren des Ionenaustauschmaterials 40 nur noch Alkaliionen A⁺, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), zu der Anode 1 diffundieren und so eine Abscheidung von zweiwertigen und mehrwertigen Metallen, wie Mangan, Nickel und Cobalt, an der Anode 1 und/oder eine Vergiftung der Anode 1 vermieden und damit die Lebensdauer der Zelle deutlich verlängert werden kann. Da sich der Separator 3 in einer Zelle zwischen Kathode 2 und Anode 1 befindet, diese räumlich trennt und kathodische Abbauprodukte Y^x+ binden kann, wirkt der Separator 3 als eine Art Sieb beziehungsweise Filter für die Abbauprodukte Y^x+. Bei dieser siebartigen beziehungsweise filterartigen Funktionsweise unterbindet der Separator 3 die Diffusion von Alterungsprodukten Y^x+ jedoch im Wesentlichen nicht sterisch, also durch seine Porengröße beziehungsweise Maschenweite, sondern chemisch, nämlich durch den Ionenaustausch und kann so vorteilhafterweise eine zur gewünschten Diffusionen von Alkaliionen A⁺, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), ausreichend große Porengröße beziehungsweise Maschenweite bereitstellen.
Die durch den Ionenaustausch freigesetzten Alkaliionen A⁺, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), können zudem vorteilhafterweise zusätzlich zu einem Aufbau beziehungsweise einer Reparatur des SEI-Schutzfilms 12 beitragen und die Lebensdauer auch auf diese Weise verlängern.
Bei dem alkaliionenbeladenen A⁺ anorganischen Ionenaustauschmaterial 40 kann es sich beispielsweise um ein chemisch aktives, insbesondere alkaliionenbeladenes, Silikat beziehungsweise Aluminat oder eine Mischungen beziehungsweise Kombination daraus handeln. Zum Beispiel kann das Ionenaustauschmaterial 40 ein alkaliionenbeladener Zeolith, insbesondere ein Lithium-Zeolith, sein. Die Funktionsweise von alkaliionenbeladenen Zeolithen, insbesondere Lithium-Zeolithen, ist dabei ähnlich zur Wasserenthärtung, bei der in Wasser gelöste Calcium- und Magnesiumionen durch Zugabe eines Zeolith A gegen Natriumionen ausgetauscht werden, wobei im vorliegenden Fall jedoch anstelle von Calcium- und Magnesiumionen, Mangan-, Cobalt- und/oder Nickelionen sowie andere protische Abbauprodukte unter Freisetzung von Alkaliionen A+, insbesondere Lithiumionen (Li⁺), welche die Zellfunktion nicht beeinträchtigen, gebunden und somit unschädlich gemacht werden.
2 veranschaulicht, dass das Ionenaustauschmaterial 40 dabei zudem aufgrund der anorganischen Beschaffenheit zur mechanischen Stabilisierung und gegebenenfalls auch separierenden Funktion des Separators 3 beiträgt. Dabei kann insbesondere die thermische Stabilität eines Separators 3, welcher wie in 2 gezeigt ein – gegebenenfalls temperaturempfindliches – polymeres Matrixmaterial 30, zum Beispiel auf Polyolefinbasis, aufweist, durch in dessen Matrixmaterial 30 eingebrachte Ionenaustauschmaterialpartikel 40 erhöht und ein thermisches Durchgehen der Zelle verhindert werden.
Die im Rahmen von 3 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von der in 2 gezeigten Ausführungsform, dass das alkaliionenbeladene A⁺, anorganische Ionenaustauschmaterial 40 nicht in die Matrix des polymeren Matrixmaterials 30 des Separators 3 eingebracht ist, sondern in Form einer Beschichtung 3 beziehungsweise von zwei Beschichtungen 2a, 3a; 1a, 3b vorgesehen ist. Die doppelte Bezugszeichenvergabe deutet an, dass es sowohl möglich ist, den Separator 3, insbesondere die Matrixmaterialschicht 30 des Separators 30, einseitig oder beidseitig mit einer das Ionenaustauschmaterial A⁺, 40 umfassenden Beschichtung 3a, 3b als auch die der Kathode 2 zugewandte Seite der Anode 1 oder die der Anode 1 zugewandte Seite der Kathode 2 mit einer das Ionenaustauschmaterial A⁺, 40 umfassenden Beschichtung 1a, 2a zu versehen. Grundsätzlich ist dabei eine der gezeigten Beschichtungen 2a, 3a; 1a, 3b zum Schutz der Anode 1 ausreichend. Die Beschichtung/en 2a, 3a; 1a, 3b können dabei insbesondere aus dem alkaliionenbeladene A⁺, anorganische Ionenaustauschmaterial 40 ausgebildet sein und insbesondere höchstens geringe Bindemittelmengen enthalten.
Die im Rahmen von 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform, dass die Zelle keine polymere Matrixmaterialschicht 30, sondern nur eine aus dem alkaliionenbeladenen A⁺, anorganischen Ionenaustauschmaterial 40 ausgebildete Ionenaustauschschicht umfasst, welche als solches als Separator 3 fungiert.

Claims

Alkali-Zelle, insbesondere Lithium-Ionen-Zelle, umfassend – eine Anode (1), – eine Kathode (2) und – einen zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordneten Separator (3), wobei mindestens eine zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) angeordnete Schicht (3, 3a, 3b, 1a, 2a) mindestens ein mit Alkaliionen (A⁺) beladenes, anorganisches Ionenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) mit Ionen (A⁺) des Alkalimetalls (A) beladen ist, auf welchem die elektrochemische Reaktion der Zelle beruht.
Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zelle eine Lithium-Zelle und das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) mit Lithiumionen (A⁺) beladen ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes, insbesondere lithiumionenbeladenes, Silikat und/oder Aluminat umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) einen alkaliionenbeladenen Zeolithen, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Separator (3) das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial (30) des Separators (3) eingebracht ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Separator (3) mindestens eine Beschichtung (3a, 3b) aufweist, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die der Kathode (2) zugewandte Seite der Anode (1) und/oder die der Anode (1) zugewandte Seite der Kathode (2) eine Beschichtung (1a, 2a) aufweist, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) umfasst.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anode (1) eine Lithiuminterkalationsanode oder eine Lithiumlegierungsanode ist.
Separator (3) für eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle, umfassend mindestens ein mit Alkaliionen (A⁺) beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial (40), insbesondere mindestens ein mit Lithiumionen (A⁺) beladenes oder beladbares anorganisches Ionenaustauschmaterial (40).
Separator (3) nach Anspruch 11, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares Silikat und/oder Aluminat, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.
Separator (3) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) in ein, insbesondere polymeres, Matrixmaterial des Separators (3) eingebracht ist, und/oder wobei der Separator (3) mindestens eine, insbesondere einseitige oder beidseitige, Beschichtung (3a, 3b) aufweist, welche das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) umfasst, und/oder wobei der Separator (3) eine Schicht aufweist, welche aus dem mindestens einen Ionenaustauschmaterial (40) ausgebildet ist.
Anode (1) oder Kathode (2) für eine Alkali-Zelle, insbesondere eine Lithium-Zelle, wobei die Anode (1) oder Kathode (2) mit eine Beschichtung (1a, 2a) aufweist, welche mindestens ein Alkaliionen (A⁺) beladenes oder beladbares, anorganisches Ionenaustauschmaterial (40), insbesondere mindestens ein Lithiumionen (A⁺) beladenes oder beladbares anorganisches Ionenaustauschmaterial (40), umfasst.
Anode (1) oder Kathode (2) nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine Ionenaustauschmaterial (40) ein alkaliionenbeladenes oder alkaliionenbeladbares Silikat und/oder Aluminat, insbesondere einen Lithium-Zeolithen, umfasst.