DE102016212736A1 - Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten, Festkörperelektrolyt und Lithiumionenbatterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten (9) für eine Lithiumionenbatterie (1). Das Verfahren umfasst die Schritte i) Bereitstellen einer Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) und ii) Beschichten mindestens einer ersten Oberfläche (3) der Schicht des Festkörperelektrolyten (2) mit einer ersten Beschichtung (5), die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten sowie einen Festkörperelektrolyt mit verbesserter Ionenleitfähigkeit. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Lithiumionenbatterie, die insbesondere in Form einer sekundären Lithiumionenbatterie ausgebildet ist, und die sich durch eine hohe Kapazität auszeichnet.
  • Festkörperelektrolyte tragen zur Bereitstellung von hohen volumetrischen und gravimetrischen Energie- und Leistungsdichten in Batterien bei und sind zudem unter sicherheitsrelevanten Aspekten gegenüber Flüssigelektrolyten oder Gelelektrolyten bevorzugt. Wie auch flüssige Elektrolyte, sind Festkörperelektrolyte bei geringen chemischen Potentialen, wie sie an den negativen Elektroden (Anoden) einer Batterie auftreten oder auch bei höheren Potentialen, wie sie an den positiven Elektroden (Kathoden) einer Batterie auftreten, instabil und werden unter Reduktion bzw. Oxidation abgebaut. An der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode bilden sich Schichten (Grenzflächenstrukturen) von Elektrolyt-Abbauprodukten, teils unter Verbrauch von Elektrodenmaterialien, die sich durch eine verminderte Ionenleitfähigkeit auszeichnen und dadurch einen zusätzlichen ohmschen Widerstand in einer Batteriezelle erzeugen. Die Energie- und Leistungsdichten werden dadurch reduziert. Zusätzlich sinkt durch den Verbrauch von Elektrodenmaterialien die Kapazität der Batterie.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten anzugeben, mit dem Abbaureaktionen bei der Verwendung des Festkörperelektrolyten in einer Batteriezelle vermieden werden können und eine Verminderung der Ionenleitfähigkeit effektiv verhindert werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Festkörperelektrolyten bereitzustellen, der sich durch eine reduzierte Neigung zur Bildung von Grenzflächenstrukturen und damit auch durch eine dauerhaft hohe Ionenleitfähigkeit und Stabilität auszeichnet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung eine Lithiumionenbatterie bzw. auch eine sekundäre Lithiumionenbatterie mit hoher Kapazität und Stabilität bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten gelöst, in dem zunächst eine Schicht eines Festkörperelektrolyten bereitgestellt und anschließend mindestens eine erste Oberfläche der Schicht des Festkörperelektrolyten mit einer ersten Beschichtung beschichtet wird, die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 Volt (V) gemessen gegen Li/Li+ aufweist.
  • Der zu verwendende Festkörperelektrolyt ist im Einzelnen nicht beschränkt. Geeignete Festkörperelektrolyte sind z.B. Phosphate, Oxide, Sulfide, Granate, Perowskite, LISICON, LIPON, NASICON und Thio-LISICON. Auch die Form der Schicht des Festkörperelektrolyten ist nicht beschränkt und kann entsprechend den Anforderungen an Leitfähigkeit und Stabilität ausgebildet sein.
  • Die Schicht des Festkörperelektrolyten weist eine erste Oberfläche auf. Die erste Oberfläche ist eine Oberfläche, die beim Verbau in einer Batteriezelle üblicherweise mit einer Elektrode in Kontakt gelangt. Die erste Oberfläche ist mit anderen Worten eine einer Elektrode zuzuwendende Fläche der Schicht des Festkörperelektrolyten.
  • Mindestens die erste Oberfläche wird erfindungsgemäß beschichtet. Die erste Beschichtung weist dabei eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis zu 5 V gemessen gegen Li/Li+ auf. Eine erste Beschichtung im Sinne der Erfindung kann aus einer Einzelverbindung, einem Verbindungsgemisch oder einer Beschichtungszusammensetzung gebildet werden. Die erste Beschichtung ist dem Elektrolytmaterial gegenüber inert und unterliegt bei Potentialen von –1 bis zu 5 Volt gemessen gegen Li/Li+ keiner elektrochemischen Reaktion und insbesondere keiner Degradation. Dies bedeutet, dass die erste Beschichtung auch bei geringen Spannungen/Potentialen, wie sie beispielsweise an einer Anode einer Batteriezelle auftreten und auch bei hohen Spannungen/Potentialen, wie sie z.B. an einer Kathode einer Batteriezelle auftreten, nicht elektrochemisch umgesetzt wird.
  • Durch das Beschichten des Festkörperelektrolyten wird die erste Oberfläche der Schicht des Festkörperelektrolyten quasi mit einer Schutzschicht versehen. Sie verhindert bzw. reduziert den direkten elektrischen Kontakt des Elektrolyten mit einer zu kontaktierenden Elektrode. Durch die elektrochemische Stabilität der ersten Beschichtung kommt es beim Verbau des Festkörperelektrolyten in einer Batteriezelle somit nicht zu Abbaureaktionen des Elektrolyten. Zudem wird durch das Ausbleiben der Degradation des Elektrolyten auch kein Elektrodenmaterial verbraucht. Das Bilden von leitfähigkeitsreduzierenden Grenzflächenstrukturen bleibt durch die schützende erste Beschichtung aus bzw. wird effektiv verhindert. Dadurch kann die Lebensdauer des Festkörperelektrolyten bei verbesserter Ionenleitfähigkeit erhöht werden. Auch können somit die Leistungsdichte und die Energiedichte einer Batterie, die den erfindungsgemäß hergestellten Festkörperelektrolyt enthält, gesteigert werden.
  • Das Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar.
  • Die Unteransprüche haben bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt des Beschichtens einer zweiten Oberfläche der Schicht des Festkörperelektrolyten mit einer zweiten Beschichtung, die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist. Die zweite Oberfläche ist ebenfalls eine Oberfläche, die beim Verbau der Schicht des Festkörperelektrolyten in einer Batteriezelle einer Elektrode zugewendet wird. Beispielsweise kann die erste Beschichtung eine Beschichtung sein, die auf der ersten Oberfläche des Festkörperelektrolyten gebildet ist und in einer Batteriezelle einer Anode zugewendet wird. In diesem Fall wäre die zweite Beschichtung eine Beschichtung, die auf der zweiten Oberfläche des Festkörperelektrolyten gebildet ist und in einer Batteriezelle einer Kathode zugewendet wird. Alternativ dazu kann auch die erste Beschichtung eine Beschichtung sein, die auf der ersten Oberfläche des Festkörperelektrolyten gebildet ist und in einer Batteriezelle einer Kathode zugewendet wird. In diesem Fall wäre die zweite Beschichtung eine Beschichtung, die auf der zweiten Oberfläche des Festkörperelektrolyten gebildet ist und in einer Batteriezelle einer Anode zugewendet wird.
  • Die zweite Beschichtung kann analog zur ersten Beschichtung ausgebildet sein, kann aber auch eine andere Zusammensetzung aufweisen. In jedem Fall hat auch die zweite Beschichtung eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+. Durch die beidseitige Beschichtung wird der Festkörperelektrolyt an beiden Oberflächen, die mit Elektroden in Kontakt gelangenden können, elektrochemisch abgeschirmt und unterliegt keinen Abbaureaktionen. Weder Anodenmaterial noch Kathodenmaterial wird unter Bildung von Grenzflächenstrukturen verbraucht. Der Festkörperelektrolyt zeichnet sich durch eine besonders hohe Ionenleitfähigkeit und eine Kapazität zur Bereitstellung hoher Energiedichten aus.
  • Insbesondere vorteilhaft weist die erste Beschichtung eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V gemessen gegen Li/Li+ auf. Der angegebene Potentialbereich ist ein Potentialbereich, der zu Abbaureaktionen von Elektrolyt und Anodenmaterial, insbesondere durch Bildung einer SEI (solid electrolyte interphase), führen kann. Die erste Beschichtung wird somit insbesondere auf derjenigen Seite des Festkörperelektrolyten angebracht, die beim Verbau in einer Batteriezelle der Anode zugewandt wird.
  • Alternativ oder additiv dazu ist vorteilhaft vorgesehen, dass die zweite Beschichtung eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist. Potentialbereiche von 2 bis 5 V können zu Abbaureaktionen (Oxidation) von Elektrolyt und Kathodenmaterial führen. Die zweite Beschichtung wird daher insbesondere auf derjenigen Seite des Festkörperelektrolyten angebracht, die beim Verbau in einer Batteriezelle der Kathode zugewandt wird.
  • Besonders vorteilhaft wird der Festkörperelektrolyt an seiner ersten Oberfläche mit einer ersten Beschichtung beschichtet, die eine Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V aufweist und an seiner zweiten Oberfläche mit einer zweiten Beschichtung beschichtet, die eine Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 Volt aufweist. Damit wird der Festkörperelektrolyt bei Verwendung in einer Batterie besonders gut vor Degradation geschützt.
  • Weiter vorteilhaft ist die erste Beschichtung ausgewählt aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Polyvinylencarbonat, Lithiumethylendicarbonat (LEDC), Lithiumdisilikat (LDC), Lithium-Mangan-Cobalt (LMC), CH3OLi, CH3CH2OLi, LiOCH2CH2OLi, Li3N und Mischungen daraus. Alternativ oder additiv dazu ist die zweite Beschichtung ausgewählt aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Li-La-Ti-O, Titanoxiden und Phosphaten und darunter insbesondere AlPO4, Nb2O5 und Mischungen daraus. Die angeführten Einzelkomponenten können jeweils separat oder auch in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Sofern die erste und zweite Beschichtung nicht direkt in ihrer Endzusammensetzung appliziert, sondern in Form einer Beschichtungszusammensetzung verwendet wird, kann die Beschichtungszusammensetzung weitere Zusatzstoffe, wie z.B. Lösungsmittel, Fließhilfsmittel, Viskositätsanpassungsmittel und dergleichen enthalten. Diese Zusatzstoffe werden lediglich für das Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung benötigt und können nach dem Beschichtungsvorgang entfernt werden. Ein Entfernen der Zusatzstoffe ist jedoch nicht erforderlich, sofern sich die Zusatzstoffe inert gegenüber den umliegenden Materialien und den zu erwartenden elektrochemischen Reaktionen verhalten.
  • Die vorstehend genannten Verbindungen für die erste Beschichtung erfüllen jeweils die Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V. Ferner erfüllen die vorstehend genannten Verbindungen für die zweite Beschichtung jeweils die Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V jeweils gemessen gegen Li/Li+.
  • Besonders bevorzugt wird Li2CO3 als erste und/oder zweite Beschichtung eingesetzt, da sich Li2CO3 sehr gut mit gewünschter Schichtdicke abscheiden bzw. aufbringen lässt, eine gute Ionenleitfähigkeit (insbesondere für Lithiumionen) bereitstellt und zudem zu niedrigen Kosten erhältlich ist.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten mittels ALD (atomic layer deposition), PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), Sputtern oder gepulster Laserabscheidung ausgeführt wird. Die hier angeführten Beschichtungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt. Die genannten Verfahren sind einfach anwendbar, gut steuerbar und erzeugen gleichmäßige Beschichtungen auch mit geringen Schichtdicken. Besonders bevorzugt ist das ALD-Verfahren, da hierdurch sehr dünne Schichtdicken erzielt werden können, die die Ionenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten am wenigsten beeinträchtigen.
  • Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Festkörperelektrolyt für eine Lithiumionenbatterie beschrieben, die insbesondere in Form einer sekundären Lithiumionenbatterie ausgebildet ist. Der erfindungsgemäße Festkörperelektrolyt umfasst eine Schicht eines Festkörperelektrolyten mit einer ersten Oberfläche, die mit einer ersten Beschichtung versehen ist. Wie bereits für das erfindungsgemäße Verfahren dargelegt, ist die erste Oberfläche eine Oberfläche, die beim Verbau in einer Batteriezelle einer Elektrode zugewandt wird. Sie bildet somit eine Grenzfläche zwischen dem Elektrolyt und der Elektrode.
  • Der zu verwendende Festkörperelektrolyt ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann beispielhaft Phosphate, Oxide, Sulfide, Granate, Perowskite, LISICON, LIPON, NASICON und Thio-LISICON umfassen. Ebenfalls ist auch die Form der Schicht des Festkörperelektrolyten nicht beschränkt und kann entsprechend der Anforderungen an Leitfähigkeit und Stabilität ausgebildet sein.
  • Die erste Oberfläche des Festkörperelektrolyten weist eine spezifische erste Beschichtung auf. Die erste Beschichtung hat eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ und fungiert als Schutzschicht zur Verhinderung der Degradation des Festkörperelektrolyten bei niedrigen Potentialen, wie sie beispielsweise an einer Anode auftreten und höheren Potentialen, wie sie beispielsweise an einer Kathode auftreten.
  • Hierbei kann die im Sinne der Erfindung verwendete erste Beschichtung aus einer Einzelverbindung, einem Verbindungsgemisch oder einer Beschichtungszusammensetzung gebildet sein. Wie bereits vorstehend beschrieben ist die erste Beschichtung dem Elektrolytmaterial gegenüber inert und unterliegt bei Potentialen von –1 bis 5 Volt gemessen gegen Li/Li+ keiner elektrochemischen Reaktion und somit auch insbesondere keiner Degradation. Folglich wird die erste Beschichtung auch bei geringen Potentialen, wie sie beispielsweise an einer Anode einer Batteriezelle auftreten, oder hohen Potentialen, wie sie an einer Kathode auftreten, nicht elektrochemisch umgesetzt sondern bleibt dauerhaft stabil erhalten.
  • Die erfindungsgemäße erste Beschichtung wirkt somit als Schutzschicht für den Festkörperelektrolyt. Sie dient dazu Abbaureaktionen des Elektrolyten unter Bildung von Grenzflächenstrukturen zu verhindern. Dadurch behält der erfindungsgemäße Festköperelektrolyt seine Ionenleitfähigkeit unreduziert bei. Folglich kann auch Sekundärreaktionen des Elektrodenmaterials, das beim Verbau in einer Batteriezelle mit dem erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt in Kontakt gelangt, vorgebeugt werden. Die Beschichtung verhindert bzw. reduziert auch den direkten elektrischen Kontakt des Elektrolyten mit einer zu kontaktierenden Elektrode. So bilden sich keine zusätzlichen ohmschen Widerstände aus. Der erfindungsgemäße Festkörperelektrolyt kann zu einer hohen Leistungsdichte und Kapazität einer Batterie beitragen. Zudem wird die Lebensdauer des Festkörperelektrolyten bei hoher Stabilität erhöht.
  • Die Ionenleitfähigkeit des Festkörperelektrolyten kann vorteilhaft dadurch verbessert werden, dass eine zweite Oberfläche der Schicht des Festkörperelektrolyten eine zweite Beschichtung aufweist, die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ hat. Die zweite Beschichtung ist dabei vorteilhaft wie die erste Beschichtung ausgebildet. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, so lange auch die zweite Beschichtung die Anforderungen an die elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ erfüllt. Auch wird durch die zweite Beschichtung eine weitere Schutzschicht gebildet, die den Festkörperelektrolyt und auch eine mit dem Festkörperelektrolyt zu kontaktierende Elektrode vor Degradation und Bildung von Grenzflächenstrukturen schützt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Beschichtung eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V gemessen gegen Li/Li+ auf. Diese erste Beschichtung schützt den Festkörperelektrolyt somit insbesondere vor Degradation bei niedrigen Potentialen, wie sie z.B. an Anoden auftreten. Der Festkörperelektrolyt wird somit in einer Batteriezelle insbesondere mit seiner ersten Beschichtung in Richtung der Anode ausgerichtet.
  • Alternativ oder additiv dazu ist es vorteilhaft, wenn die zweite Beschichtung eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist. Die zweite Beschichtung schützt damit den Festkörperelektrolyt vor oxidativen Abbaureaktionen, die in diesem erhöhten Potentialbereich, wie er z.B. auf der Anodenseite einer Batteriezelle vorliegen kann, auftreten können. Somit wird der Festkörperelektrolyt in einer Batteriezelle insbesondere mit seiner zweiten Beschichtung in Richtung der Kathode ausgerichtet.
  • Weiter vorteilhaft im Hinblick auf eine gute Ionenleitfähigkeit ist die erste Beschichtung ausgewählt aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Polyvinylencarbonat, LEDC, LDC, LMC, CH3OLi, CH3CH2OLi, LiOCH2CH2OLi, Li3N und Mischungen daraus. Diese Beschichtungen haben eine gute elektrochemische Stabilität bei –1 bis 1,5 V gemessen gegen Li/Li+ und zeichnen sich zudem durch eine gute mechanische Stabilität und elektrische Isolationsfähigkeit aus.
  • Aus vorstehend genannten Gründen ist es auch vorteilhaft, wenn die zweite Beschichtung ausgewählt ist aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Li-La-Ti-O, Titanoxiden und Phosphaten, insbesondere AlPO4, Nb2O5 und Mischungen daraus. Die vorstehend genannten Beschichtungen erfüllen jeweils die Anforderungen an eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ und haben ebenfalls eine gute mechanische Stabilität und elektrische Isolationsfähigkeit.
  • Besonders vorteilhaft unter diesen Aspekten und auch im Hinblick auf eine gute Verarbeitbarkeit zu annehmbaren Preisen ist die Verwendung von Li2CO3 als erste und/oder zweite Beschichtung.
  • Aufgrund ihrer guten Festkörperstabilität ist die Schicht eines Festkörperelektrolyten, die für den erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt verwendet wird, vorzugsweise Granat-basiert, Sulfid-basiert oder Oxid-basiert.
  • Aus vorstehend genanntem Grund umfasst die Schicht eines Festkörperelektrolyten des erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyten vorteilhafterweise LiLaZrO, eine Nasicon-Struktur oder ein Perowskit.
  • Um eine maximal hohe Ionenleitfähigkeit im Festkörperelektrolyt bereitzustellen, beträgt eine durchschnittliche Schichtdicke der ersten und/oder zweiten Beschichtung vorzugsweise 1 nm bis 200 nm und insbesondere 1 nm bis 10 nm. Die Schichtdicke wird dabei mittels XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) ermittelt.
  • Weiter erfindungsgemäß werden auch eine Lithiumionenbatterie und eine sekundäre Lithiumionenbatterie beschrieben, die jeweils den vorstehend beschriebenen Festkörperelektrolyt umfassen. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyten wird in der Batterie eine hohe Ionenleitfähigkeit erzielt, was sich positiv auf die Kapazität und die Energie- bzw. Leistungsdichte der Batterie auswirkt. Die Batterie ist elektrochemisch stabil und unterliegt keiner Degradation durch elektrochemische Nebenreaktionen, wie z.B. einen reduktiven Abbau des Festkörperelektrolyten oder von Elektrodenmaterial unter Ausbildung von Grenzflächenstrukturen.
  • Die für das erfindungsgemäße Verfahren und den erfindungsgemäßen Festkörperelektrolyt beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Lithiumionenbatterie und die sekundäre Lithiumionenbatterie.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
  • 1 eine sekundäre Lithiumionenbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Schnitt.
  • In 1 sind nur die erfindungswesentlichen Details gezeigt. Alle übrigen Aspekte der Erfindung sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • Im Detail zeigt 1 eine sekundäre Lithiumionenbatterie 1 in Schnittansicht. Die sekundäre Lithiumionenbatterie 1 ist stark vereinfacht und schematisiert dargestellt und umfasst eine Schicht eines Festkörperelektrolyten 2, eine negative Elektrode 7 und eine positive Elektrode 8.
  • Die Schicht des Festkörperelektrolyten 2 weist eine erste Oberfläche 3 auf, die der negativen Elektrode 7 zugewandt ist und eine zweite Oberfläche 4, die der positiven Elektrode 8 zugewandt ist.
  • Die erste Oberfläche 3 ist mit einer ersten Beschichtung 5 beschichtet. Ferner ist die zweite Oberfläche 4 mit einer zweiten Beschichtung 6 beschichtet.
  • Die erste Beschichtung 5 und auch die zweite Beschichtung 6 haben jeweils eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+. Die Beschichtungen 5 und 6 sind vorzugsweise durch ALD, PVD, CVD, Sputtern oder gepulster Laserabscheidung auf die erste Oberfläche 3 bzw. die zweite Oberfläche 4 der Schicht des Festkörperelektrolyten 2 aufgebracht.
  • Vorteilhafterweise ist die erste Beschichtung 5 ausgewählt aus LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Polyvinylencarbonat, LEDC, LDC, LMC, CH3OLi, CH3CH2OLi, LiOCH2CH2OLi, Li3N und Mischungen daraus und weist somit eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V auf. Ebenfalls vorteilhaft ist die zweite Beschichtung 6 ausgewählt aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Li-La-Ti-O, Titanoxiden und Phosphaten, insbesondere AlPO4, Nb2O5 und Mischungen daraus und weist somit eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ auf.
  • Eine durchschnittliche Schichtdicke D der ersten und/oder zweiten Beschichtung 5, 6 beträgt insbesondere 1 nm bis 200 nm und kann mittels XPS bestimmt werden. Ferner bevorzugte Schichtdicken von insbesondere 1 nm bis 10 nm können vorteilhafterweise mittels ALD aufgebracht werden. Die Schichtdicke D wird dabei in Stapelrichtung der die sekundäre Lithiumionenbatterie bildenden Schichten bestimmt.
  • Durch die Verwendung des Festkörperelektrolyten 9 mit einer ersten Beschichtung 5 und einer zweiten Beschichtung 6 wird der Bildung von Grenzflächenstrukturen durch elektrochemische Abbaureaktionen der Schicht des Festkörperelektrolyten 2 vorgebeugt. Ferner wird auch einer Degradation der Elektroden 7, 8 vorgebeugt. Die Beschichtungen 5, 6 wirken somit als Schutzschicht, die den Erhalt einer hohen Ionenleitfähigkeit durch den Festkörperelektrolyt 9 sichert. Die sekundäre Lithiumionenbatterie 1 hat damit eine hohe Kapazität und eine sehr gute Energie- bzw. Leistungsdichte. Die sekundäre Lithiumionenbatterie 1 ist elektrochemisch stabil und unterliegt keiner Degradation durch elektrochemische Nebenreaktionen. Zudem wird auch eine thermische Stabilität gesichert.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    sekundäre Lithiumionenbatterie
    2
    Schicht eines Festkörperelektrolyten
    3
    erste Oberfläche der Schicht eines Festkörperelektrolyten
    4
    zweite Oberfläche der Schicht eines Festkörperelektrolyten
    5
    erste Beschichtung
    6
    zweite Beschichtung
    7
    negative Elektrode
    8
    positive Elektrode
    9
    Festkörperelektrolyt

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperelektrolyten (9) für eine Lithiumionenbatterie (1), umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) und – Beschichten mindestens einer ersten Oberfläche (3) der Schicht des Festkörperelektrolyten (2) mit einer ersten Beschichtung (5), die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Beschichten einer zweiten Oberfläche (4) der Schicht des Festkörperelektrolyten (2) mit einer zweiten Beschichtung (6), die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (5) eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist und/oder dass die zweite Beschichtung (6) eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (5) ausgewählt ist aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Polyvinylencarbonat, LEDC, LDC, LMC, CH3OLi, CH3CH2OLi, LiOCH2CH2OLi, Li3N und Mischungen daraus und/oder dass die zweite Beschichtung (6) ausgewählt ist aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Li-La-Ti-O, Titanoxiden und Phosphaten, insbesondere AlPO4, Nb2O5 und Mischungen daraus.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten mittels ALD, PVD, CVD, Sputtern oder gepulster Laserabscheidung ausgeführt wird.
  6. Festkörperelektrolyt (9) für eine Lithiumionenbatterie, insbesondere für eine sekundäre Lithiumionenbatterie, umfassend eine Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) mit einer ersten Oberfläche (3), wobei die erste Oberfläche (3) eine erste Beschichtung (5) aufweist, die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ hat.
  7. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Oberfläche (4) der Schicht des Festkörperelektrolyten (2) eine zweite Beschichtung (6) aufweist, die eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ hat.
  8. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die erste Beschichtung (5) eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von –1 bis 1,5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist und/oder dass die zweite Beschichtung (6) eine elektrochemische Stabilität bei Potentialen von 2 bis 5 V gemessen gegen Li/Li+ aufweist.
  9. Festkörperelektrolyt nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung (5) ausgewählt ist aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Polyvinylencarbonat, LEDC, LDC, LMC, CH3OLi, CH3CH2OLi, LiOCH2CH2OLi, Li3N und Mischungen daraus und/oder dass die zweite Beschichtung (6) ausgewählt ist aus: LiOH, Li2CO3, LiF, Li2O, Li-La-Ti-O, Titanoxiden und Phosphaten, insbesondere AlPO4, Nb2O5 und Mischungen daraus.
  10. Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass die Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) Granat-basiert, Sulfid-basiert oder Oxid-basiert ist.
  11. Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet dass die Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) LiLaZrO, eine Nasicon-Struktur oder ein Perowskit umfasst.
  12. Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass eine durchschnittliche Schichtdicke (D) der ersten und/oder zweiten Beschichtung (5, 6) 1 nm bis 200 nm und insbesondere 1 nm bis 10 nm beträgt.
  13. Lithiumionenbatterie, umfassend einen Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
  14. Sekundäre Lithiumionenbatterie, umfassend einen Festkörperelektrolyt nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
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