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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle sowie eine Kathodenanordnung, eine Zelle und ein Batteriesystem.
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Stand der Technik
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Lithium-Sauerstoff-Zellen und -Batterien, welche auch als Lithium-Luft-Zellen beziehungsweise -Batterien bezeichnet werden, sind prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen und zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte beziehungsweise spezifische Energie aus.
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Lithium-Sauerstoff-Zellen umfassen eine Kathode auf Sauerstoff-Basis, welche auch als positive Elektrode beziehungsweise Sauerstoffelektrode bezeichnet wird, und eine Anode auf Basis von Lithium, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird.
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Beim Entladen einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2 Li → 2 Li+ + 2 e– Kathode: 2 Li+ + 2 e– + O2 → Li2O2
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Beim Laden einer Lithium-Sauerstoff-Zelle finden an der Anode und der Kathode die folgenden Reaktionen statt: Anode: 2 Li+ + 2 e– → 2 Li Kathode: Li2O2 → 2 Li+ + 2 e– + O2
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In der Druckschrift
US 5,510,209 A wird von Abraham et al. eine der ersten Lithium-Luft-Zellen mit einer metallischen Lithium-Anode und einer Sauerstoff-Kathode beschrieben.
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Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) einen Review zur Lithium-Luft-Technologie publiziert.
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Lithium-Luft-Zellen sind von der Firma Polyplus, Vereinigte Staaten von Amerika, Kalifornien, bekannt.
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Die Druckschrift
EP 2 270 905 A1 betrifft eine elektrochemische Metall-Luft-Zelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kathodenanordnung für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise eine Lithium-Luft-Zelle und/oder zur Herstellung einer Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise einer Lithium-Luft-Zelle.
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In dem Verfahren wird insbesondere ein Separator und/oder ein Stromableiter mit einer Kathodenmasse, insbesondere zur Ausbildung einer Kathode für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise einer Sauerstoffkathode, beschichtet.
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Dann wird eine Gaskanalstruktur zur Ausbildung mindestens eines Gaskanals in die Kathodenmasse geprägt.
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So können vorteilhafterweise durch einfache und kostengünstige Maßnahmen definierte Gaskanäle innerhalb der Kathode erzeugt werden, welche eine schnellere und gleichmäßigere Gasverteilung beim Entladen beziehungsweise Einströmen von Gas und beim Laden beziehungsweise Ausströmen von Gas ermöglichen. Dadurch kann wiederum vorteilhafterweise eine schnellere Kinetik, insbesondere der Entladereaktion und/oder der Laderaktion, und ein effizienterer Gasaustausch und damit eine verbesserte Leistungsfähigkeit und insbesondere eine verbesserte Hochstrombelastbarkeit erzielt werden.
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Die Gaskanalstruktur kann insbesondere derart ausgebildet werden, dass dadurch Sauerstoff beim Entladen zugeführt und beim Laden abgeführt werden kann. Dabei können insbesondere Gaskanäle, welche auch als Strömungskanäle bezeichnet werden können, derart ausgebildet werden, das die Oberflächenabschnitte des Kathodenmaterials gut und mit gleichmäßig viel Gas versorgt werden können.
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Im Rahmen einer Ausführungsform wird zumindest der Separator mit der Kathodenmasse beschichtet. Dabei kann die Gaskanalstruktur insbesondere in die, vom Separator abgewandte Seite der Kathodenmasse geprägt werden. So kann vorteilhafterweise eine gute Anbindung der Kathodenmasse an den Separator erzielt werden. Dabei können vorteilhafterweise Grenzflächenübergangswiderstände reduziert und die Lithiumionenleitfähigkeit und damit die Leistungsfähigkeit und insbesondere Hochstrombelastbarkeit verbessert werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch zumindest der Stromkollektor mit der Kathodenmasse beschichtet werden. So kann vorteilhafterweise eine gute Anbindung der Kathodenmasse an den Stromkollektor erzielt werden. Dabei können vorteilhafterweise Grenzflächenübergangswiderstände reduziert und die elektrische Leitfähigkeit und damit die Leistungsfähigkeit und insbesondere Hochstrombelastbarkeit verbessert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Prägen derart, dass zwischen der Gaskanalstruktur und dem Separator ein Abschnitt aus Kathodenmasse verbleibt. So können Grenzflächenübergangswiderstände zum Separator reduziert und die Lithiumionenleitfähigkeit und damit die Leistungsfähigkeit und insbesondere Hochstrombelastbarkeit weiter verbessert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird auf die geprägte Gaskanalstruktur eine Schicht aufgebracht. Vorteilhafterweise kann daher das Verfahren in einen Schicht-Aufbau der Zelle integriert werden.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform – nämlich insofern mit der Kathodenmasse der Separator beschichtet wurde – ist die aufgebrachte Schicht ein Stromableiter. So kann vorteilhafterweise eine Kathodenanordnung aus einem Separator, einer Kathodenmasse mit Gaskanalstruktur und einem Stromkollektor ausgebildet werden.
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Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform – nämlich insofern mit der Kathodenmasse der Stromableiter beschichtet wurde – ist die aufgebrachte Schicht ein Separator. So kann vorteilhafterweise ebenfalls eine Kathodenanordnung aus einem Separator, einer Kathodenmasse mit Gaskanalstruktur und einem Stromkollektor ausgebildet werden.
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Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform – nämlich insofern mit der Kathodenmasse der Separator und der Stromableiter beschichtet wurde – ist die aufgebrachte Schicht eine weitere Schicht aus Kathodenmasse. Über die aneinander anliegenden Kathodenmassen kann dabei vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Kathodenanordnung verbessert werden.
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Insbesondere kann dabei beim Prägen in die, auf den Separator beschichtete Kathodenmasse und in die, auf den Stromkollektor beschichtete Kathodenmasse jeweils eine Gaskanalstruktur zur Ausbildung mindestens eines Gaskanals geprägt werden. Insbesondere können dabei die Gaskanalstruktur aufweisenden Flächen der Kathodenmassen aneinander angelegt werden. So kann vorteilhafterweise eine Kathodenanordnung aus einem Separator, einer Kathodenmasse mit Gaskanalstruktur, einer Kathodenmasse mit einer weiteren Gaskanalstruktur und einem Stromkollektor ausgebildet werden. So kann wiederum vorteilhafterweise die Gasverteilung weiter verbessert werden.
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Das Prägen kann beispielsweise durch eine strukturierte Walze oder einen Stempel erfolgen. Das Prägen kann gegebenenfalls derart erfolgen, dass Kanäle mit einer oder zwei Dimensionen, beispielsweise im Submillimeterbereich, zum Beispiel bis Mikrometerbereich, ausgebildet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Prägen durch eine strukturierte Walze. So kann das Verfahren vorteilhafterweise als kontinuierlicher Prozess durchgeführt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathodenmasse mindestens ein Leitmittel, beispielsweise Kohlenstoff und/oder Gold, mindestens einen Katalysator, beispielsweise Mangandioxid (MnO2), mindestens einen Binder und mindestens ein Lösungsmittel. Das mindestens eine Lösungsmittel kann insbesondere lediglich für den Beschichtungsprozess dienen und insbesondere durch den später erläuterten Trocknungsprozess wieder entfernt werden. Das mindestens eine Lösungsmittel kann beispielsweise Wasser und/oder N-Methylpyrrolidon umfassen beziehungsweise sein. Der mindestens eine Binder kann beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Stryol-Butadien-Kautschuck (SBR) und/oder Carboxymethylcellulose, zum Beispiel Stryol-Butadien-Kautschuck und Carboxymethylcellulose (SBR/CMC), umfassen beziehungsweise sein.
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Das Beschichten kann beispielsweise durch Rakeln oder durch eine Schlitzdüse oder durch eine Sprühtechnik, wie Airbrush, erfolgen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Beschichten durch Rakeln oder durch eine Schlitzdüse. So kann das Beschichten vorteilhafterweise besonders einfach und kostengünstig durchgeführt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Kathodenmasse nach dem Prägen getrocknet. Mit anderen Worten, das Prägen kann dabei insbesondere nach dem Beschichten und vor dem Trocknen erfolgen. Das Trocknen kann insbesondere vor dem Aufbringen der Schicht erfolgen. Beim Trocknen kann insbesondere das mindestens eine Lösungsmittel entfernt werden. Zum Beispiel kann das Trocknen durch eine thermische Behandlung erfolgen.
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Der Separator kann insbesondere lithiumionenleitend, elektrisch isolierend und, insbesondere hinreichend, gasdicht sein. Beispielsweise kann der Separator aus einem anorganischen Material ausgebildet sein. So können vorteilhafterweise Gase und insbesondere auch Flüssigkeiten, wie Wasser, zum Beispiel Salzwasser, und/oder Aerosole, zum Beispiel aus dem Straßenverkehr, welche anodisches Lithium angreifen könnten, von der Lithium-Oberfläche separiert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Separator aus einem Festkörperelektrolyten ausgebildet ist. Festkörperelektrolyten haben sich zur Ausbildung des Separators als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie chemisch, elektrochemisch, mechanisch und thermisch stabil sein können. So kann vorteilhafterweise auch die Sicherheit hinsichtlich innerer und äußerer Kurzschlüssen sowie bei thermischem Stress verbessert werden.
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Der Stromableiter kann gegebenenfalls eine Stromableiterfolie sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stromableiter Aluminium, Edelstahl, Nickel und/oder Titan. Gegebenenfalls kann der Stromableiter ein, insbesondere elektrisch leitfähiges, Oxid, Carbid, Carbonitrid und/oder Silicid, insbesondere hiervon, umfassen. Insbesondere kann der Stromableiter aus Aluminium, Edelstahl, Nickel und/oder Titan ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stromableiter mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung aus einem oder mehreren, insbesondere elektrisch leitfähigen, Oxiden und/oder Carbiden und/oder Carbonitriden und/oder Siliciden, insbesondere eines oder mehrerer dieser Metalle, beschichtet sein.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung, der erfindungsgemäßen Zelle und dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie auf die Figur und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Kathodenanordnung für eine Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise Lithium-Luft-Zelle, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Zelle und dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie auf die Figur und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Lithium-Sauerstoff-Zelle beziehungsweise Lithium-Luft-Zelle, welche durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist und/oder eine erfindungsgemäße Kathodenanordnung umfasst.
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Im Rahmen einer Ausführungsform weist die Zelle eine Anode aus metallischem Lithium oder einer Lithium-Legierung auf.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die Lithium-Legierung Indium und/oder Aluminium, beispielsweise als Zulegierungsmetall, insbesondere zu metallischem Lithium. Durch Hinzulegieren von Indium und/oder Aluminium, welches insbesondere als nicht an der Reaktion teilnehmendes Trägermetall dienen kann, kann vorteilhafterweise die Strukturstabilität der Anode verbessert werden.
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Weiterhin kann die Zelle beispielsweise einen oder mehrere, lithiumionenleitende Elektrolyte umfassen.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung und dem erfindungsgemäßen Batteriesystem sowie auf die Figur und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem, welches mindesten zwei, beispielsweise seriell und/oder parallel verschalteten, erfindungsgemäße Zellen umfasst. Beispielsweise kann das Batteriesystem ein Batteriemodul aus mindesten zwei, beispielsweise seriell und/oder parallel verschalteten, erfindungsgemäßen Zellen oder ein Batteriepack aus einem oder mehreren, beispielsweise seriell und/oder parallel verschalteten, Batteriemodulen aus jeweils mindesten zwei, beispielsweise seriell und/oder parallel verschalteten, erfindungsgemäßen Zellen sein.
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Das Batteriesystem kann beispielsweise in ein stationäres System, zum Beispiel in eine Stromspeicheranlage und/oder Windkraftanlage und/oder Photovoltaikanlage, und/oder in ein mobiles System, zum Beispiel in ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, und/oder in eine Consumer-Anwendung, zum Beispiel in einen Laptop und/oder Mobiltelefon, integriert sein. Daher betrifft die Erfindung auch ein stationäres System, zum Beispiel eine Stromspeicheranlage und/oder Windkraftanlage und/oder Photovoltaikanlage, und/oder ein mobiles System, zum Beispiel ein Fahrzeug, wie ein Hybridfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung und der erfindungsgemäßen Zelle sowie auf die Figur und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
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1 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt, dass ein Separator 1 aus einem Festkörperelektrolyten mit einer Kathodenmasse 3 beschichtet wurde und veranschaulicht, dass dann mittels einer strukturierten Walze 5 oder mittels eines Stempels 6 eine Gaskanalstruktur 4 zur Ausbildung von Gaskanälen 4a in die Kathodenmasse 3 geprägt wird. 1 veranschaulicht, dass dabei das Prägen derart erfolgt, dass zwischen der Gaskanalstruktur 4 und dem Separator 1 ein Abschnitt 3a aus Kathodenmasse verbleibt. 1 deutet an, dass dann auf die geprägte Gaskanalstruktur 4 eine Schicht 2 in Form eines Stromableiters 2, beispielsweise aus Aluminium oder Edelstahl, aufgebracht wird. Nach dem Prägen und vor dem Aufbringen der Schicht 2 kann die Kathodenmasse 3 getrocknet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5510209 A [0006]
- EP 2270905 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jake Christensen et al. haben in Journal of The Electrochemical Society (159 (2) R1–R30 (2012)) [0007]
