DE102014218803A1

DE102014218803A1 - Separator für eine Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014218803A1
Application number: DE102014218803.2A
Authority: DE
Inventors: Jean Fanous; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-24
Also published as: US10431797B2; CN107078255A; JP2017527972A; US20170288191A1; KR20170056557A; WO2016041770A1; CN107078255B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Separator (1) zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle, umfassend mindestens eine ionenleitende Leitschicht (50) und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht (40), wobei die Leitschicht (50) und die Schutzschicht (40) voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei die Leitschicht (50) als Copolymer ausgebildet ist, welches eine stabilisierende Phase (2) sowie eine ionisch leitfähige Phase (3) umfasst, und dass die Schutzschicht (40) eine anorganische Substanz (7, 8) aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator (1) umfasst, sowie die Verwendung einer solchen Batteriezelle in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Separator zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle nach Anspruch 10 sowie die Verwendung einer solchen Batteriezelle in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs.
Stand der Technik
Separatoren werden in Batterien, insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, um die Anode von der Kathode zu trennen und insbesondere Kurzschlüsse zu verhindern. Während des Ladens sowie des Entladens der Batteriezelle wandern Ionen, insbesondere Lithium-Ionen von einer Elektrode zu der anderen. Dazu muss der Separator ionisch leitfähig ausgebildet sein. Im Betrieb der Batteriezelle finden an der Kathode und an der Anode chemische Reaktionen statt. Insbesondere gibt es Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Graphitanoden, bei denen Lithium-Ionen beim Entladen von der Anode zur Kathode durch einen Separator wandern und an der Kathode in ein Übergangsmetalloxid, beispielsweise Li_1–xNi_0,33Co_0,33Mn_0,33O₂, interkaliert werden. Bei Laden werden die Lithium-Ionen in die Anode interkaliert.
Auch sind Lithium-Akkumulatoren mit Metallanoden bekannt, welche insbesondere Lithium enthalten. Die Kathode enthält eine organische oder eine anorganische Schwefelverbindung oder reinen Schwefel. Beim Entladen gehen Lithium-Ionen mit dem Schwefel oder der Schwefelverbindung in der Kathode eine chemische Verbindung ein, wodurch beispielsweise Polysulfide gebildet werden. Zwischen den elektrochemisch aktiven Schwefelverbindungen befindet sich ein Elektrolyt. Dadurch können unter anderem Polysulfide freigesetzt werden. Die freigesetzten Polysulfide können sich auf der Anode ablagern und diese verschmutzen und dadurch die Batteriezelle zerstören.
Es sind Separatoren aus organischen Materialien bekannt, welche ionisch hoch leitfähig sind, aber welche auch für Polysulfide durchlässig sind, beispielsweise aus Polyethylene oder Polypropylen. Ferner sind Separatoren aus anorganischen Materialien bekannt, welche für Polysulfide nicht durchlässig sind, welche jedoch im Vergleich dazu eine verhältnismäßig geringe Leitfähigkeit für Ionen aufweisen.
In der Batteriezelle können Lithium-Ionen, die sich beim Laden an der Anode abscheiden, dort Dendrite bilden, die durch den Separator hindurch auf die Kathode zuwachsen und bei Erreichen der Kathode einen Kurzschluss auslösen. Solche Dendrite können insbesondere poröse Separatoren aus organischen Materialien durchdringen.
Aus der US 3,625,771 ist ein Separator bekannt, welcher eine Polymermischung sowie Partikel anorganischer Materialien aufweist. In der Polymermischung sind beispielsweise Polysulfone, Polyepoxide sowie Polyphenyloxid vorgesehen.
Die WO 00 / 36671 A1 offenbart einen Separator mit einer mikroporösen Pseudo-Böhmit-Schicht, die mit einer Schutzschicht in Kontakt steht. Die Schutzschicht umfasst dabei ein Polymer aus mehreren Monomeren, wie beispielsweise Acrylate, Styrol oder Epoxide. Die Schutzschicht kann auch eine Mischung aus organischem und anorganischem Material aufweisen.
Auch in der WO 2006 / 088 959 A2 ist ein Separator für Batterien offenbart. Der Separator enthält dabei eine Schicht mit Zusatzstoffen, wie beispielsweise Ton, Tonmineralien sowie Metallsulfide.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Separator zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle vorgeschlagen, welcher mindestens eine ionenleitende Leitschicht und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht umfasst, wobei die Leitschicht und die Schutzschicht voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Die Leitschicht ist dabei als Copolymer ausgebildet, welches eine stabilisierende Phase sowie eine ionisch leitfähige Phase umfasst. Die Schutzschicht weist eine anorganische Substanz auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die anorganische Substanz der Schutzschicht chemisch reaktive Partikel auf, welche mit Polysulfiden reagieren. Die Schutzschicht wirkt dabei als Getterschicht. Die anorganische Substanz kann auch vollständig aus besagten chemisch reaktiven Partikeln bestehen.
Die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht enthalten beispielsweise ein Alkalimetall oder eine Alkalimetallverbindung oder bestehen aus einem Alkalimetall oder einer Alkalimetallverbindung.
Alternativ enthalten die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht ein Erdalkalimetall oder eine Erdalkalimetallverbindung oder bestehen aus einem Erdalkalimetall oder einer Erdalkalimetallverbindung.
Die chemisch reaktiven Partikel der Schutzschicht sind bevorzugt beabstandet zueinander angeordnet, wobei zwischen den chemisch reaktiven Partikeln Freiräume verbleiben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die anorganische Substanz der Schutzschicht Verbundteilchen auf, welche dicht aneinander angeordnet sind, wobei mehrere der Verbundteilchen einander berühren. Dabei entsteht ein dichter Verbund, welcher für Flüssigkeiten und Chemikalien, insbesondere für Polysulfide, undurchlässig ist. Die Schutzschicht wirkt somit als Sperrschicht. Die anorganische Substanz der Schutzschicht ist ionenleitend und kann beidseitig in den Separator eingebracht werden.
Die Verbundteilchen der Schutzschicht enthalten beispielsweise ionenleitende Keramik oder bestehen aus ionenleitender Keramik.
Auch eine Kombination aus einer Getterschicht und einer Sperrschicht ist denkbar.
Alternativ enthalten die Verbundteilchen der Schutzschicht Argyrodit oder bestehen aus Argyrodit.
Vorzugsweise enthält die ionisch leitfähige Phase in dem Copolymer der Leitschicht Acrylate oder Polyethylenoxid.
Ferner wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens einen erfindungsgemäßen Separator umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs (HEV), eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV).
Vorteile der Erfindung
Die Sperrschicht sowie die Getterschicht als Schutzschicht des Separators verhindern zuverlässig, dass Polysulfide von der Kathode zur Anode wandern und sich dort ablagern. Ferner verhindert die massive keramische anorganischer Sperrschicht des Separators, dass an der Anode wachsende Dendrite die Kathode erreichen und dadurch einen Kurzschluss auslösen. Der Separator besitzt aber trotzdem eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit für Ionen. Ferner ist die Schutzschicht des Separators auch hermetisch dicht für Gase, Flüssigkeiten und Chemikalien ausgebildet. Dies ist insbesondere für Lithium-Schwefel-Zellen oder Lithium-Luft-Zellen vorteilhaft, in denen während der stattfindenden elektrochemischen Reaktionen Zersetzungsprodukte wie Kohlenstoffdioxid freiwerden. Der Separator ist mechanisch fest aber trotzdem flexibel ausgebildet und kann somit bei der Anordnung zwischen der Kathode und der Anode gerollt oder gefaltet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Separators mit einer Getterschicht,
2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Separators mit einer Sperrschicht,
3 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Separators,
4 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform eines dreiteilig ausgeführten Separators mit einer Getterschicht,
5 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines dreiteilig ausgeführten Separators mit einer Getterschicht,
6 einen Schnitt durch eine sechste Ausführungsform eines dreiteilig ausgeführten Separators mit einer Sperrschicht,
7 einen Schnitt durch einen Teil einer Batteriezelle mit einer siebten Ausführungsform eines zweiteiligen Separators mit einer Getterschicht,
8 einen Schnitt durch einen Teil einer Abwandlung der Batteriezelle aus 7 mit einem zweiteiligen Separator mit einer Sperrschicht und
9 einen Schnitt durch einen Teil einer weiteren Abwandlung der Batteriezelle aus 7.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Separator 1 ist in einer Batteriezelle zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet. Der Separator 1 ist dabei einerseits ionisch leitfähig ausgebildet und verhindert andererseits einen Durchfluss von verunreinigenden Substanzen, insbesondere von Polysulfiden und Schwefel, von der Kathode zu der Anode. Weiterhin dient der Separator 1 mechanisch als Abstandshalter zwischen der Anode und der Kathode und verhindert einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode.
Ein Separator 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, der in 1 dargestellt ist, umfasst eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 ist auf ihrer der Leitschicht 50 abgewandten Seite von einer Unterseite 6 begrenzt, und die Leitschicht 50 ist auf ihrer der Schutzschicht 40 abgewandten Seite von einer Oberseite 5 begrenzt.
Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die stabilisierende Phase 2 bewirkt dabei die mechanische Festigkeit des Separators 1 und enthält beispielsweise Polystyrol (Polystyren), Epoxide und/oder Siloxane.
Die ionisch leitfähige Phase 3 des Separators 1 dient der Ionenleitung durch den Separator 1 und enthält beispielsweise Polyethylenoxid (Polyethylenglycol) und/oder Acrylate. Optional kann zur Erhöhung der Ionenleitfähigkeit ein hier nicht dargestelltes leitfähiges Salz in der ionisch leitfähigen Phase 3 eingelagert sein.
Die Leitschicht 50 geht vorliegend fließend in die Schutzschicht 40 über. Die Schutzschicht 40 ist somit ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. In der ionisch leitfähigen Phase 3 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Die chemisch reaktiven Partikel 7 sind dabei beabstandet zueinander in der ionisch leitfähigen Phase 3 verteilt, so dass Freiräume 31 zwischen den chemisch reaktiven Partikel 7 verbleiben. Die besagten Freiräume 31 gewährleisten eine verhältnismäßig gute Ionenleitung durch die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 und durch den Separator 1 hindurch.
Die chemisch reaktiven Partikel 7 enthalten eine anorganische Substanz und reagieren insbesondere mit Polysulfiden, welche von der Kathode kommen. Die chemisch reaktiven Partikel 7 verhindern somit, dass Polysulfide sowie weitere Substanzen, welche die Anode verunreinigen könnten, die Schutzschicht 40 und damit den Separator 1 durchdringen.
Die besagten Freiräume 31 sind in einer Größe ausgelegt, die gewährleistet, dass auch nach einer Reaktion von chemisch reaktiven Partikel 7 mit Polysulfiden ein ausreichend großer Raum für die Ionenleitung durch die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 hindurch möglich ist.
Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen beispielsweise Alkalimetalle, Alkalimetallverbindungen, Erdalkalimetalle, Erdalkalimetallverbindungen sowie weitere Metalle und chemische Verbindungen in Betracht.
Ein Separator 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, der in 2 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut und umfasst eine Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Leitschicht 50 ist dabei genau so wie in dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind in der ionisch leitfähigen Phase 3 der als Sperrschicht wirkenden Schutzschicht 40 Verbundteilchen 8 eingelagert. Die Verbundteilchen 8 sind dabei dicht aneinander liegend in der ionisch leitfähigen Phase 3 angeordnet und berühren einander. Die Verbundteilchen 8 verhindern somit, dass Polysulfide sowie weitere Substanzen, welche die Anode verunreinigen könnten, die Schutzschicht 40 und damit den Separator 1 durchdringen. Die Verbundteilchen 8 dienen auch als Schutzschicht für thermische Ereignisse. Die Verbundteilchen 8 leiten Lithium-Ionen hinreichend gut.
Die Verbundteilchen 8 enthalten eine anorganische Substanz, beispielsweise ein Oxid, eine Keramik, einen Granat, granatartigen Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO), eine als LISICON bezeichnete glaskeramische Membran, einen nicht oxydischen Ionenleiter wie Schwefel oder Phosphor oder ein Argyrodit, bzw. ein Lithium-Argyrodit.
Die Verbundteilchen 8 sind ionisch leitfähig, weisen aber eine geringere Ionenleitfähigkeit auf als die ionisch leitfähige Phase 3 des Copolymers. Die Schutzschicht 40 ist verhältnismäßig dünn ausgeführt. Die mechanische Stabilität des Separators 1 wird durch die stabilisierende Phase 2 in dem Copolymer der Leitschicht 50 sichergestellt.
Ein Separator 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, der in 3 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut und umfasst eine als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 ist dabei genau so wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut.
Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel sind in der ionisch leitfähigen Phase 3 der Leitschicht 50 auch chemisch reaktiven Partikel 7 eingelagert, ähnlich wie in der Schutzschicht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Der Separator 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel umfasst somit eine Leitschicht 50, welche chemisch reaktiven Partikel 7 aufweist, und eine als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40, welche Verbundteilchen 8 aufweist. Vorzugsweise wird ein solcher Separator 1 derart in einer Batteriezelle angeordnet, dass die Leitschicht 50 der Anode zugewandt ist, und dass die Schutzschicht 40 der Kathode zugewandt ist.
Polysulfide, die vielleicht noch in geringem Maß zwischen den Verbundteilchen 8 hindurch die Schutzschicht 40 durchdringen, reagieren in der Leitschicht 50 mit den dort befindlichen chemisch reaktiven Partikel 7. Die Verbundteilchen 8 erhöhen die Festigkeit des Separators 1. Ferner verhindern die dicht liegenden Verbundteilchen 8 dass Dendrite, die sich von der Anode her ausbreiten und teilweise in den Separator 1 eindringen, die chemisch reaktiven Partikel 7 aus dem Separator 1 heraus drängen.
Ein Separator 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Der Separator 1 umfasst zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet.
Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die innere Schicht 9 weist nur eine ionisch leitfähige Phase 3 auf, in welche chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert sind. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen auch die Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der Schutzschicht 40 vermieden.
Ein Separator 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt und umfasst ebenfalls zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als Getterschicht wirkenden Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet. Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf.
Die innere Schicht 9 ist ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die stabilisierende Phase 2 erhöht dabei die Klebekräfte zwischen der oberen Schicht 10 sowie der unteren Schicht 11 und der inneren Schicht 9 und erhöht dadurch die Festigkeit des Separators 1.
In die ionisch leitfähige Phase 3 der inneren Schicht 9 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der inneren Schicht 9 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen auch die Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den chemisch reaktiven Partikeln 7 in der Schutzschicht 40 vermieden.
Ein Separator 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, der in 6 dargestellt ist, ist ähnlich wie in dem vierten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Der Separator 1 umfasst zwei Leitschichten 50, welche auch als obere Schicht 10 und untere Schicht 11 bezeichnet werden, sowie eine als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40, welche auch als innere Schicht 9 bezeichnet wird. Die innere Schicht 9 ist dabei, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel, zwischen der oberen Schicht 10 und der unteren Schicht 11 angeordnet.
Die obere Schicht 10 und die untere Schicht 11 sind jeweils als Copolymer ausgebildet und weisen je eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die innere Schicht 9 weist nur eine ionisch leitfähige Phase 3 auf, in welche Verbundteilchen 8 eingelagert sind. Die Verbundteilchen 8 sind dabei dicht aneinander liegend in der ionisch leitfähigen Phase 3 angeordnet und berühren einander. Als Materialien für die Verbundteilchen 8 kommen die Materialien in Frage, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel genannt sind.
Der dreischichtige Aufbau des Separators 1, wobei die Schutzschicht 40 beidseitig von je einer Leitschicht 50 aus einem Copolymer umgeben ist, verhindert eine direkte Berührung der Schutzschicht 40 mit der Anode sowie mit der Kathode. Dadurch sind unerwünschte chemische Reaktionen des Anodenmaterials sowie des Kathodenmaterials mit den Verbundteilchen 8 in der Schutzschicht 40 vermieden.
In 7 ist ein Separator 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel in einer Batteriezelle dargestellt. Die Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Der Stromableiter 13 ist vorliegend eine Kupferfolie. Bei dem Anodenmaterial 16 handelt es sich um ein elektrochemisch aktives Material, wie beispielsweise Lithium, Magnesium oder Natrium.
Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerplättchen 14 aufgebracht, welche aus einem Polymer oder einem Metall-Polymer-Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Kupfer-Polymer-Verbundwerkstoff, bestehen. Auf den Trägerplättchen 14, jeweils auf der dem Stromableiter 13 abgewandten Seite, sind Isolatoren 15 angeordnet.
Der Separator 1 umfasst eine als Getterschicht wirkende Schutzschicht 40 und eine Leitschicht 50, welche aneinander angrenzen. Die Schutzschicht 40 liegt dabei an den Isolatoren 15 an. Die Isolatoren 15 ragen weiter von dem Stromableiter 13 weg als das Anodenmaterial 16. Somit ist eine direkte Berührung zwischen der Schutzschicht 40 des Separators 1 und dem Anodenmaterial 16 vermieden.
Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. Die Schutzschicht 40 ist ebenfalls als Copolymer ausgebildet und weist eine mechanisch stabilisierende Phase 2 sowie eine ionisch leitfähige Phase 3 auf. In die ionisch leitfähige Phase 3 der Schutzschicht 40 sind chemisch reaktive Partikel 7 eingelagert. Zwischen den chemisch reaktiven Partikeln 7 verbleiben Freiräume 31. Als Materialien für die chemisch reaktiven Partikel 7 kommen die gleichen Materialien in Frage, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel genannt sind.
In 8 ist eine Abwandlung der Batteriezelle aus 7 gezeigt. Die Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerpartikel 17 zum Tragen des Separators 1 aufgebracht. Die Trägerpartikel 17 ragen weiter von dem Stromableiter 13 weg als das Anodenmaterial 16. Somit ist eine direkte Berührung zwischen dem Separator 1 und dem Anodenmaterial 16 vermieden.
Der Separator 1 ist vorliegend wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben aufgebaut. Die als Sperrschicht wirkende Schutzschicht 40 des Separators 1 ist dabei dem Stromableiter 13 der Anodenanordnung zugewandt und liegt auf den Trägerpartikeln 17 auf. Aber auch ein Separator nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann eingesetzt werden.
In 9 ist ebenfalls eine Abwandlung der Batteriezelle aus 7 gezeigt. Die Batteriezelle umfasst eine Anodenanordnung mit einem Stromableiter 13, auf welchen ein Anodenmaterial 16 aufgebracht ist. Auf den Stromableiter 13 sind ferner Trägerpartikel 17 aufgebracht, welche zum Tragen des Separators 1 dienen.
Zwischen dem Separator 1 und dem Anodenmaterial 16 verbleibende Zwischenräume 21 sind mit ionisch leitfähigem Material gefüllt. Hierfür eignen sich beispielsweise das Material der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers des Separators 1 oder eine Mischung aus einem Elektrolyt und der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers sowie ein flüssiger oder auch gelartiger Elektrolyt.
Der Separator 1 ist vorliegend wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben aufgebaut Die Leitschicht 50 des Separators 1 ist dabei dem Stromableiter 13 der Anodenanordnung zugewandt und liegt auf den Trägerpartikeln 17 auf. Aber auch ein Separator nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann eingesetzt werden.
Die Batteriezelle umfasst ferner eine Kathodenanordnung mit einer Kathodenschicht 20, welche im Wesentlichen aus verdichtetem elektrochemisch aktivem Material besteht. Die Kathodenschicht 20 kann ferner Material der ionisch leitfähigen Phase des Copolymers des Separators 1 sowie einen Elektrolyt enthalten. Die Kathodenanordnung umfasst ferner eine Mischschicht 19, welche poröseres elektrochemisch aktives Material mit im Vergleich zu der Kathodenschicht 20 vergrößerter Oberfläche aufweist.
Eine Zwischenschicht 18 ist zwischen der als Sperrschicht wirkenden Schutzschicht 40 des Separators 1 und der Mischschicht 19 angeordnet. Die Mischschicht 19 enthält ein Copolymer mit einer stabilisierenden Phase 2 und einer ionisch leitfähige Phase 3. Dabei ist, im Vergleich zu dem Copolymer des Separators 1, ein höherer Anteil der ionisch leitfähigen Phase 3 und ein geringerer Anteil der stabilisierenden Phase 2 enthalten.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3625771 [0006]
WO 00/36671 A1 [0007]
WO 2006/088959 A2 [0008]

Claims

Separator (1) zur Trennung einer Anode und einer Kathode in einer Batteriezelle, umfassend mindestens eine ionenleitende Leitschicht (50) und mindestens eine für Polysulfide undurchlässige Schutzschicht (40), wobei die Leitschicht (50) und die Schutzschicht (40) voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (50) als Copolymer ausgebildet ist, welches eine stabilisierende Phase (2) sowie eine ionisch leitfähige Phase (3) umfasst, und dass die Schutzschicht (40) eine anorganische Substanz (7, 8) aufweist.
Separator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Substanz der Schutzschicht (40) chemisch reaktive Partikel (7) aufweist, welche mit Polysulfiden reagieren.
Separator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemisch reaktiven Partikel (7) ein Alkalimetall oder eine Alkalimetallverbindung enthalten oder aus einem Alkalimetall oder einer Alkalimetallverbindung bestehen.
Separator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemisch reaktiven Partikel (7) ein Erdalkalimetall oder eine Erdalkalimetallverbindung enthalten oder aus einem Erdalkalimetall oder einer Erdalkalimetallverbindung bestehen.
Separator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chemisch reaktiven Partikel (7) beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den chemisch reaktiven Partikeln (7) Freiräume (31) verbleiben.
Separator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Substanz der Schutzschicht (40) Verbundteilchen (8) aufweist, welche dicht aneinander angeordnet sind, wobei mehrere Verbundteilchen (8) einander berühren.
Separator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundteilchen (8) ionenleitende Keramik enthalten oder aus ionenleitender Keramik bestehen.
Separator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundteilchen (8) Argyrodit enthalten oder aus Argyrodit bestehen.
Separator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisch leitfähige Phase (3) Acrylate oder Polyethylenoxid enthält.
Batteriezelle, umfassend mindestens einen Separator (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Batteriezelle nach Anspruch 10 in einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeugs (HEV), eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs (EV).