DE102016002179A1 - Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten einer Metall-Ionen-Batteriezelle, Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten, Metall-lonen-Batteriezelle und Metall-lonen-Batterie - Google Patents

Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten einer Metall-Ionen-Batteriezelle, Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten, Metall-lonen-Batteriezelle und Metall-lonen-Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle, wobei die Beschichtungslösung 1 Gew.-% bis 7 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Alpratolam und 0,1 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, bevorzugt 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Aminepin in Isopropanol enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle mit der Beschichtungslösung, eine Metall-Ionen-Batteriezelle mit einer entsprechend behandelten Elektrode und/oder einem entsprechend behandelten festen Elektrolyten sowie eine Metall-Ionen-Batterie, die wenigstens eine Metall-Ionen-Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten einer Metall-Ionen-Batteriezelle, ein Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle, eine Metall-Ionen-Batteriezelle mit einer entsprechend behandelten Elektrode und/oder einem entsprechend behandelten, festen Elektrolyten, und eine Metall-Ionen-Batterie mit wenigstens einer solchen Metall-Ionen-Batteriezelle.
  • Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit zumindest mittel- und langfristig zu erwartenden steigenden Preise für Brennstoffe auf Basis derartiger Rohstoffe sowie aufgrund der anthropogen verursachten Kohlendioxid-Emissionen und der befürchteten Auswirkungen davon ist in den vergangenen Jahren zunehmend das Thema „Elektromobilität” in den Fokus des Interesses geraten. In der Folge wurde eine ganze Anzahl von Elektrofahrzeugen entwickelt und von diesen ist bereits auch eine Reihe kommerziell verfügbar.
  • Bei aktuellen, rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kommen als Energiequelle derzeit fast ausschließlich wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (Akkumulatoren, Traktionsbatterien) zum Einsatz. Bei Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen steht neben einer Traktionsbatterie auch eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung.
  • Lithium-Ionen-Batteriezellen enthalten bekanntermaßen wenigstens zwei Elektroden (Stromsammler) sowie eine durch einen Elektrolyt getrennte Anoden-Kathoden-Anordnung. Die Anode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht üblicherweise aus einem graphitierten Kohlenstoff (Graphitmaterial), in den bei Vorgang des Ladens der Zelle Lithium-Ionen interkalieren. Bei einem Entladevorgang deinterkalieren die Lithium-Ionen und wandern zurück zur Kathode, bei der es sich bspw. um ein Li1-xCoO2-Material handeln kann.
  • Ist der Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Batteriezelle flüssig, so müssen Vorkehrungen gegen sein Auslaufen ergriffen werden. Neben flüssigen Elektrolyten sind auch Metall-Ionen-Batteriezellen (insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen) bekannt, bei denen der flüssige Elektrolyt durch eine festen (bspw. eine rauhe und poröse Keramik) oder einen verformbaren Stoff (bspw. Gel, o. ä.), ganz allgemein ausgedrückt durch eine polymere Schicht ersetzt ist, wodurch das Risiko eines Auslaufens des Elektrolyten aus der Zelle vermindert wird.
  • Die polymere Schicht muss elektrisch und ionisch leitfähig sein, um die Leistungsfähigkeit der Zellen nicht negativ zu beeinflussen. Um z. B. Feststoffelektrolyte (Keramikwerkstoffe, Polymere) in Lithium-Ionen-Batteriezellen einsetzen können, muss die leitfähige polymere Schicht mit der Elektrode verbunden sein.
  • Hierbei ist es erforderlich, dass die polymere Schicht chemisch stabil ist gegenüber den angrenzenden Materialien. Aus dem Stand der Technik bekannte Polymere (wie etwa Polyethylenoxid) sind zwar stabil gegenüber den verwendeten Metallen (Lithium, Natrium, Calcium, Magnesium), jedoch nicht gegenüber manchen Aktivmaterialien (Nickel-Mangan-Cobalt, Nickel-Cobalt-Aluminium, etc.). Daher ist deren Anwendung hauptsächlich beschränkt auf Aktivmaterialien mit sehr niedrigen Energiedichten (wie etwa Lithium-Eisen-Phosphat), was die Leistungsfähigkeit entsprechender Batterien stark reduziert.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese vorstehend genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden oder doch zumindest stark zu verringern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Beschichtungslösung gemäß Anspruch 1, das Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten gemäß Anspruch 2, die Metall-Ionen-Batteriezelle gemäß Anspruch 5 und die Metall-Ionen-Batterie gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der der Metall-Ionen-Batteriezelle sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie 1 Gew.-% bis 7 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Alpratolam, und 0,1 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, bevorzugt 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Aminepin in Isopropanol enthält.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, das die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Bereitstellen einer Beschichtungslösung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
    • b) Aufbringen einer dünnen Schicht der Beschichtungslösung auf eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle.
  • Bei dem Aufbringen der dünnen Schicht ist darauf zu achten, dass diese Schicht homogen ist.
  • Bei dem Verfahren kann das Aufbringen der dünnen Schicht der Lösung in vorteilhafter Weise durch Aufsprühen oder Aufrakeln erfolgen. Des Weiteren kann bei dem Verfahren in vorteilhafter Weise nach dem Aufbringen der Lösung die Schicht bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 40°C, bevorzugt in einem Bereich von 25°C bis 35°C, über eine Zeitdauer von 2 min bis 10 min, bevorzugt über eine Zeitdauer von 4 min bis 8 min getrocknet werden.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Metall-Ionen-Batteriezelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie wenigstens eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten aufweist, die/der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder eines seiner vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen behandelt wurde.
  • Die erfindungsgemäße Metall-Ionen-Batteriezelle kann in vorteilhafter Weise als festen Elektrolyten eine Keramik oder ein Polyethylenoxid aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst weiter auch eine Metall-Ionen-Batterie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie wenigstens eine erfindungsgemäße Metall-Ionen-Batteriezelle aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Elektrode und einen festen Elektrolyt, die geeignet sind für eine Metall-Ionen-Batteriezelle, eine Metall-Ionen-Batteriezelle und eine Metall-Ionen-Batterie mit Eigenschaften, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren oder eine seiner vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen verliehen werden, also eine Elektrode, einen festen Elektrolyt, eine Metall-Ionen-Batteriezelle und eine Metall-Ionen-Batterie mit derartigen Eigenschaften unabhängig von dem zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren.
  • Von der vorliegenden Erfindung umfasst sind auch die Verwendung von Alpratolam und Aminepin sowie eine Lösung aus Alpratolam und Aminepin, insbesondere eine entsprechende Isopropanol-Lösung zur Beschichtung einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine Isopropanol-Lösung mit Additiven zur Verfügung gestellt, durch die eine (künstliche) Schutzschicht erzeugt werden kann, die den festen Elektrolyt (die polymere Schicht) besser von den angrenzenden Schichten trennt, jedoch dessen elektrische Leitfähigkeit nicht herabsetzt. Die Additive verteilen sich gut in der polymeren Schicht und begrenzen nicht deren chemische Stabilität. Dies gilt auch für höhere Temperaturen (von bspw. 150°C), wodurch die Sicherheit nicht beeinträchtigt wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Beispiel:
  • 1. Herstellung einer Beschichtungslösung:
  • Es wird eine Beschichtungslösung hergestellt durch Lösen von 4 Gew.-% Alpratolam und 0,3 Gew.-% Aminepin in Isopropanol. Nach dem Lösen der Additive kann die Beschichtungslösung durch einen Glasfilter filtriert werden, um das Vorhandensein von Feststoffen in der Beschichtungslösung zu verhindern und so die Ausbildung einer homogenen Schicht zu erleichtern.
  • 2. Beschichtung eines festen Elektrolyten
  • Die Beschichtungslösung wird als dünne Schicht auf einem festen Elektrolyt aus Polyethylenoxid (PEO) aufgesprüht oder aufgerakelt, wobei darauf geachtet wird, dass die Schicht homogen ist.
  • Die aufgesprühte Schicht wird bei 30°C für 5 min. getrocknet, wobei das Isopropanol vollständig verdampft.
  • Die so erzeugte Schutzschicht trennt den festen Elektrolyt (die polymere Schicht) besser von den angrenzenden Schichten in einer Metall-Ionen-Batteriezelle, setzt jedoch dessen elektrische Leitfähigkeit nicht herab. Die in der Beschichtungslösung enthaltenen Additive verteilen sich gut in der polymeren Schicht, begrenzen nicht deren chemische Stabilität und dies auch bei höheren Temperaturen (von bspw. 150°C). Hierdurch ergeben sich auch keine Nachteile in Bezug auf die Sicherheit bei der Verwendung eines so behandelten festen Elektrolyten in einer Metall-Ionen-Batteriezelle oder einer Metall-Ionen-Batterie (insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bzw. -Batterie).

Claims (7)

  1. Beschichtungslösung für eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslösung 1 Gew.-% bis 7 Gew.-%, bevorzugt 3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Alpratolam und 0,1 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, bevorzugt 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Aminepin in Isopropanol enthält.
  2. Verfahren zum Behandeln einer Elektrode und/oder eines festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle, die folgenden Schritte umfassend: a) Bereitstellen einer Beschichtungslösung gemäß Anspruch 1, und b) Aufbringen einer dünnen Schicht der Beschichtungslösung auf eine Elektrode und/oder einen festen Elektrolyten für eine Metall-Ionen-Batteriezelle.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Aufbringen der dünnen Schicht der Lösung durch Aufsprühen oder Aufrakeln erfolgt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei nach dem Aufbringen der Lösung die Schicht bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 40°C, bevorzugt in einem Bereich von 25°C bis 35°C, über eine Zeitdauer von 2 min bis 10 min, bevorzugt über eine Zeitdauer von 4 min bis 8 min getrocknet wird.
  5. Metall-Ionen-Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 behandelte Elektrode und/oder einen gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4 behandelten festen Elektrolyten aufweist.
  6. Metall-Ionen-Batteriezelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als festen Elektrolyten eine Keramik oder ein Polyethylenoxid aufweist.
  7. Metall-Ionen-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Metall-Ionen-Batteriezelle gemäß Anspruch 5 oder 6 aufweist.
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