DE102014219723A1

DE102014219723A1 - Elektrode für eine Batteriezelle und Batteriezelle

Info

Publication number: DE102014219723A1
Application number: DE102014219723.6A
Authority: DE
Inventors: Pallavi Verma; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016050430A1; US20170229706A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batteriezelle, umfassend ein Aktivmaterial (41), welches Silizium enthält, wobei das Aktivmaterial (41) eine Beschichtung (54) aufweist, welche ein Polymer enthält, das dendritisch ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Batteriezelle, welche ein Silizium enthaltendes Aktivmaterial umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche eine Elektrode umfasst.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Bei dem Aktivmaterial für die Kathode handelt es sich beispielsweise um ein Metalloxid. Bei dem Aktivmaterial für die Anode handelt es sich beispielsweise um Graphit oder Silizium.
In das Aktivmaterial der Anode sind Lithiumatome eingelagert. Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithiumionen bei einem Entladevorgang von der Anode zur Kathode. Dabei lagern die Lithiumionen aus dem Aktivmaterial der Anode reversibel aus, was auch als Deinterkalation bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithiumionen von der Kathode zu der Anode. Dabei lagern die Lithiumionen wieder in das Aktivmaterial der Anode reversibel ein, was auch als Interkalation bezeichnet wird.
Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten. Die Elektroden und der Separator sind von einem in der Regel flüssigen Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt ist für die Lithiumionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithiumionen zwischen den Elektroden.
Die Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Die Terminals befinden sich dabei außerhalb des Zellengehäuses. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird der Elektrolyt in das Zellengehäuse gefüllt.
Eine gattungsgemäße Batteriezelle, bei der das Aktivmaterial der Anode Silizium aufweist, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 212 299 A1 bekannt.
Silizium weist, als Aktivmaterial der Anode, eine im Vergleich zu Graphit erhöhte Speicherfähigkeit für Lithiumionen auf. Das Silizium als Aktivmaterial der Anode wird jedoch von dem flüssigen Elektrolyt angegriffen, welches sich, gemeinsam mit dem enthaltenen Lithium, auf der Oberfläche des Aktivmaterials ablagert und dort eine Schicht bildet, welche als "solid electrolyte interphase" (SEI) bezeichnet wird. Dort abgelagertes Lithium steht für den Transport von Lithiumionen zwischen den Elektroden nicht mehr zur Verfügung.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Elektrode für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrode umfasst ein Aktivmaterial, welches Silizium enthält. Erfindungsgemäß weist das Aktivmaterial eine Beschichtung auf, welche ein Polymer enthält, das dendritisch ausgebildet ist. Insbesondere ist die Beschichtung für einen Elektrolyt der Batteriezelle undurchlässig.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrode handelt es sich insbesondere um eine Anode einer Batteriezelle.
Das Aktivmaterial kann reines Silizium aufweisen. Es ist aber auch denkbar, dass das Aktivmaterial eine Silizium enthaltende Legierung aufweist. Insbesondere sind Legierungen aus Silizium mit Aluminium, Magnesium, Zinn, Eisen, Titan oder Kupfer denkbar. Auch eine Dotierung ist denkbar.
Vorzugsweise weist das Aktivmaterial Kerne auf, welche von der Beschichtung umhüllt sind. Die Kerne liegen beispielsweise als Nanopartikel oder auch mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern vor.
Vorteilhaft ist die Beschichtung ionisch leitfähig und somit für Lithiumionen, welche von dem Aktivmaterial der Anode zu der Kathode, sowie in die entgegengesetzte Richtung, wandern, durchlässig.
Vorteilhaft ist die Beschichtung auch, zumindest leicht, elektrisch leitfähig und somit für Elektronen, welche von dem Aktivmaterial zu einem Stromableiter der Anode, sowie in die entgegengesetzte Richtung, fließen, durchlässig.
Die Beschichtung des Aktivmaterials enthält gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Polyethylenoxid (PEO) Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), Polyanilin (PANI) oder Polypyrrol (PPY) oder eine anderes leitfähiges Polymer.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung funktionalisierte Endgruppen auf, welche von einem Elektrolyt der Batteriezelle benetzbar sind.
Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batterie findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
Durch die für den Elektrolyt undurchlässige Beschichtung des Aktivmaterials ist eine Berührung von Elektrolyt und Silizium und damit eine Ablagerung des Elektrolyts auf der Oberfläche des Aktivmaterials verhindert. Beim Betrieb der Batteriezelle findet somit keine Bildung einer "solid electrolyte interphase" (SEI) Schicht statt. Die Elektrode weist, wegen des Siliziums als Aktivmaterial, eine im Vergleich zu Graphit erhöhte Speicherfähigkeit für Lithiumionen auf. Auch weist die Beschichtung, und damit auch das Aktivmaterial, eine hohe ionische Leitfähigkeit für Lithiumionen sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit für Elektronen auf. Selbst bei einer Ausdehnung des Siliziums bei einer Anlagerung von Lithium an die Kerne des Aktivmaterials verbleibt das dendritisch ausgebildete Polymer als Beschichtung auf den Kernen und bildet weiterhin eine für den Elektrolyt undurchlässige Barriere.
Wenn das dendritisch ausgebildete Polymer, welches als Beschichtung die Kerne des anodischen Aktivmaterials umhüllt, funktionalisierte Endgruppen aufweist, welche derart funktionalisiert sind, dass die Endgruppen mit dem Elektrolyt benetzbar sind, so werden beim Benetzen der Endgruppen mit dem Elektrolyt Lithiumionen aus dem Elektrolyt heraus gelöst. Durch das Herauslösen der Lithiumionen aus dem Elektrolyt ist die Beweglichkeit der wandernden Lithiumionen verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle und
2 einen Kern eines anodischen Aktivmaterials mit Beschichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, aufweist. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind.
Die Anode 21 umfasst ein anodisches Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das anodische Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf. Die Anode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das anodische Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Kathode 22 umfasst ein kathodisches Aktivmaterial 42, welches folienartig ausgeführt ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 weist als Grundstoff ein Metalloxid auf, beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂). Die Kathode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das kathodische Aktivmaterial 42 und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden.
Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
Die Anode 21 und die Kathode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektrisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einem flüssigen Elektrolyt 15 gefüllt. Der Elektrolyt 15 umgibt die Anode 21, die Kathode 22 und den Separator 18. Auch der Elektrolyt 15 ist ionisch leitfähig.
Das anodische Aktivmaterial 41 weist Kerne 50 aus Silizium auf, welche in Form von Nanopartikeln vorliegen. Die Kerne 50 können auch in vergrößerter Form vorliegen und beispielsweise einen Durchmesser von wenigen Mikrometern aufweisen.
Anstelle oder zusätzlich zu reinem Silizium kann das anodische Aktivmaterial 41 auch eine Silizium enthaltende Legierung aufweisen. Dabei kann es sich um eine Legierung mit einem aktiven Metall handeln, beispielsweise mit Aluminium, Magnesium oder Zinn, also mit einem Metall, welches Lithiumionen aufnehmen kann. Aber auch eine Legierung mit einem inaktiven Metall ist denkbar, beispielsweise mit Eisen, Titan oder Kupfer, also mit einem Metall, welches keine Lithiumionen aufnehmen kann.
Das anodische Aktivmaterial 41 weist eine Beschichtung 54 auf. Die Beschichtung 54 ist dabei auf die Kerne 50 aufgebracht, und die Kerne 50 sind von der Beschichtung 54 umhüllt. Ein solcher Kern 50 eines anodischen Aktivmaterials 41 mit einer solchen Beschichtung 54 ist in 2 schematisch dargestellt. Die Beschichtung 54 kann beispielsweise mittels Aufpolymerisieren, Aufpfropfen, Kleben, Eintauchen oder Auftragen erfolgen.
Die Beschichtung 54 enthält ein dendritisch ausgebildetes Polymer, welches auch als Dendrimer bezeichnet wird. Die Beschichtung 54 ist dabei ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig. Lithiumionen können somit durch die Beschichtung 54 hindurchwandern. Bei einem Entladevorgang wandern Lithiumionen vom dem Kern 50 durch die Beschichtung 54 hindurch zu der Kathode 22. Bei einem Ladevorgang wandern Lithiumionen von der Kathode 22 durch die Beschichtung 54 hindurch zu dem Kern 50.
Auch ist die Beschichtung 54 elektrisch leitfähig, also für Elektronen durchlässig. Elektronen können somit durch die Beschichtung 54 hindurchwandern. Bei einem Entladevorgang wandern Elektronen vom dem Kern 50 durch die Beschichtung 54 hindurch zu dem Stromableiter 31 der Anode 21. Bei einem Ladevorgang wandern Elektronen von dem Stromableiter 31 der Anode 21 durch die Beschichtung 54 hindurch zu dem Kern 50.
Als Material für die Beschichtung 54 kommt beispielsweise Polyethylenoxid (PEO) in Frage. Aber auch andere, elektrisch leitfähige Materialien wie beispielsweise Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), Polyanilin (PANI) oder Polypyrrol (PPY) sind denkbar.
Die Beschichtung 54 des Kerns 50 ist jedoch für den Elektrolyt 15 undurchlässig. Der Elektrolyt 15 kann somit die Beschichtung 54 nicht durchdringen und damit nicht in Kontakt mit dem Kern 50 gelangen. Somit kann sich kein Elektrolyt 15 auf dem Silizium, beziehungsweise auf der Silizium enthaltenden Legierung, des anodischen Aktivmaterials 41 ablagern. Die Beschichtung 54 des Kerns 50 wirkt also für den Elektrolyt 15 wie eine Barriere.
Bei Anlagerung von Lithium an die Kerne 50 des anodischen Aktivmaterials 41 dehnt sich das Silizium aus. Auch bei einer solchen Ausdehnung des Siliziums des anodischen Aktivmaterials 41 verbleibt das dendritisch ausgebildete Polymer als Beschichtung 54 auf den Kernen 50 und bildet weiterhin eine für den Elektrolyt 15 undurchlässige Barriere.
Als Material für die Beschichtung 54 des anodische Aktivmaterial 41 kommen auch weitere Polymere in Frage, welche dendritisch, insbesondere sternförmig, ausgebildet sind, und welche für den in dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 befindlichen Elektrolyt 15 undurchlässig sind.
Das dendritisch ausgebildete Polymer, welches als Beschichtung 54 die Kerne 50 des anodischen Aktivmaterials 41 umhüllt, weist jeweils an einer dem Kern 50 abgewandten Oberfläche Endgruppen 52 auf. Die Endgruppen 52 der Beschichtung 54 sind derart funktionalisiert, dass die Endgruppen 52 mit dem Elektrolyt 15 benetzbar sind.
Die besagte Funktionalisierung erfolgt beispielsweise durch Protonenaustausch. Beispielsweise enthält die Endgruppe 52 vorher eine Carbonsäuregruppe (-COOH). Durch Hinzugabe von Lithiumhydroxid (LiOH) entstehen dann eine Lithium-funktionalisierte Endgruppe (-COOLi) und Wasser (H₂O). Aber auch andere chemische Reaktionen sind denkbar.
Beim Benetzen der Endgruppen 52 mit dem Elektrolyt 15 werden Lithiumionen aus dem Elektrolyt 15 heraus gelöst. Dadurch ist die Beweglichkeit der wandernden Lithiumionen verbessert.
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 fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012212299 A1 [0008]

Claims

Elektrode (21, 22) für eine Batteriezelle (2), umfassend ein Aktivmaterial (41, 42), welches Silizium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (41, 42) eine Beschichtung (54) aufweist, welche ein Polymer enthält, das dendritisch ausgebildet ist.
Elektrode (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (21) eine Anode (21) einer Batteriezelle (2) ist.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (41, 42) eine Silizium enthaltende Legierung aufweist.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (41, 42) Kerne (50) aufweist, welche von der Beschichtung (54) umhüllt sind.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (54) ionisch leitfähig ist.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (54) elektrisch leitfähig ist.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (54) Polyethylenoxid (PEO) Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), Polyanilin (PANI) oder Polypyrrol (PPY) enthält.
Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (54) funktionalisierte Endgruppen (52) aufweist, welche von einem Elektrolyt (15) benetzbar sind.
Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrode (21, 22) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung der Batteriezelle (2) nach Anspruch 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).