DE102016216549A1 - Solid-state cell with adhesion-promoting layer - Google Patents

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Dave Andre
Saskia Lupart
Simon Nürnberger
Jan-Oliver Roth
Dennis Schünemann
Barbara Stiaszny
Christoph Stinner
Nikolaos Tsiouvaras
Thomas Wöhrle
Tobias Zeilinger
Sandra Zugmann
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörper-(All-Solid-State-)-Lithiumbatterie, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode eine dazwischenliegende Festkörperelektrolytschicht als Separator umfasst, wobei zwischen die positive Elektrode und den Separator und/oder zwischen die negative Elektrode und den Separator eine Haftungsvermittlungsschicht aus einem polymeren Lithiumionenleiter eingebracht ist.The present invention relates to a solid state (all-solid-state) lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode an intermediate solid electrolyte layer as a separator, wherein between the positive electrode and the separator and / or between the negative electrode and the Separator an adhesion promoting layer of a polymeric lithium ion conductor is introduced.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörper-(All-Solid-State-)-Lithiumionen-Batterie mit mindestens einer Haftungsvermittlungsschicht. The present invention relates to a solid state (all solid state) lithium ion battery having at least one adhesion promoting layer.

In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe "Lithiumionen-Batterie", "wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie" und "Lithiumionen-Sekundärbatterie" synonym verwendet. Die Begriffe schließen auch die Begriffe "Lithium-Batterie", "Lithium-Ionen-Akkumulator" und "Lithium-Ionen-Zelle" sowie alle Lithium bzw. Legierungs-Batterien, ein. Somit wird der Begriff "Lithiumionen-Batterie" als Sammelbegriff für die im Stand der Technik gebräuchlichen vorgenannten Begriffe verwendet. Insbesondere umfasst eine "Batterie" im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine einzelne oder einzige "elektrochemische Zelle". In the following description, the terms "lithium ion battery", "lithium ion rechargeable battery" and "lithium ion secondary battery" are used interchangeably. The terms also include the terms "lithium battery", "lithium-ion battery" and "lithium-ion cell" as well as all lithium or alloy batteries. Thus, the term "lithium ion battery" is used as a generic term for the conventional terms used in the prior art. In particular, a "battery" in the context of the present invention also includes a single or single "electrochemical cell".

Technischer Hintergrund Technical background

Gegenwärtig werden meist Lithium- bzw. Lithiumionenbatterien mit Flüssigelektrolyt eingesetzt, die im Wesentlichen eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode) und einen dazwischenliegenden Separator umfassen, der mit einem nichtwässrigen Flüssigelektrolyten getränkt ist. Die Anode bzw. Kathode umfassen jeweils mindestens ein Anoden- bzw. Kathoden-Aktivmaterial, das gegebenenfalls unter Einsatz eines Bindemittels und/oder eines Zusatzes zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit auf einem Stromkollektor aufgebracht ist. Als Flüssigelektrolyt dient ein polares aprotisches Lösemittel, meist eine Mischung aus organischen Kohlensäureestern, in dem ein Lithium-Leitsalz wie Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) gelöst ist. Die Elektrodenstruktur einer solchen Zelle ist im Allgemeinen porös, so dass der Flüssigelektrolyt in Kontakt mit den Aktivmaterialpartikeln kommt und ein Austausch von Lithiumionen möglich ist. At present, lithium or lithium ion batteries are mostly used with liquid electrolyte, which essentially comprise a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and an intermediate separator impregnated with a nonaqueous liquid electrolyte. The anode or cathode each comprise at least one anode or cathode active material, which is optionally applied to a current collector using a binder and / or an additive for improving the electrical conductivity. The liquid electrolyte used is a polar aprotic solvent, usually a mixture of organic carbonic acid esters in which a lithium conducting salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved. The electrode structure of such a cell is generally porous, so that the liquid electrolyte comes into contact with the active material particles and an exchange of lithium ions is possible.

Solche Zellen mit Flüssigelektrolyt unterliegen jedoch gewissen Einschränkungen. So ist aufgrund der begrenzten elektrochemischen Stabilität des Elektrolyten die maximale Zellspannung gegenwärtig auf etwa 4.3 bis 4.4 V beschränkt. Irreversible Reaktionen zwischen Elektrolyt-Lösungsmittel und Elektrode können mit zunehmender Zyklenzahl zudem zu einem Kapazitätsverlust führen. Weiterhin handelt es sich bei den eingesetzten Elektrolyt-Lösungsmitteln um leichtentzündliche organische Verbindungen, was im Störfall, beispielsweise bei einer Überhitzung der Zelle aufgrund eines inneren Kurzschlusses, eine Brandgefahr darstellt. Hinzu kommt, dass das als Leitsalz üblicherweise eingesetzte LiPF6 im Brandfall zu hochtoxischen, korrosiven Spezies wie Fluorwasserstoff (HF) und POF3 zersetzt werden kann. However, such liquid electrolyte cells are subject to certain limitations. Thus, due to the limited electrochemical stability of the electrolyte, the maximum cell voltage is currently limited to about 4.3 to 4.4 volts. Irreversible reactions between electrolyte solvent and electrode can also lead to a loss of capacity with increasing number of cycles. Furthermore, the electrolyte solvents used are highly flammable organic compounds, which in the event of a malfunction, for example in the event of overheating of the cell due to an internal short circuit, represents a fire hazard. In addition, LiPF 6 , which is commonly used as conductive salt, can be decomposed in the event of fire to form highly toxic, corrosive species such as hydrogen fluoride (HF) and POF 3 .

Der Einsatz von festen Elektrolyten stellt eine Möglichkeit dar, einerseits diese Risiken zu vermeiden und andererseits die Energiedichte, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit noch weiter zu erhöhen. Unter Festkörperelektrolyten werden einerseits glasartige oder keramische anorganische Verbindungen verstanden, die ausreichende Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweisen. Andererseits werden zu den Festkörperelektrolyten auch klassische Polymerelektrolyte (z.B. auf Basis Polyethylen-Oxid (PEO) mit Li-Leitsalz ohne Lösungsmittel) gerechnet. The use of solid electrolytes is a way to avoid these risks on the one hand and to further increase the energy density, reliability and durability on the other hand. Solid-state electrolytes on the one hand glassy or ceramic inorganic compounds are understood to have sufficient conductivity for lithium ions. On the other hand, the solid electrolytes also classical polymer electrolytes (for example based on polyethylene oxide (PEO) with Li-Leitsalz without solvent) are expected.

Im Stand der Technik sind Festkörper-Lithium-Ionenbatterien in Dünnfilmbauweise mit anorganischem Festkörperelektrolyt und Kapazitäten im Bereich einiger µAh bis mAh bekannt, die beispielsweise zur Energieversorgung von Kleinstverbrauchern wie Smart-Cards oder ähnlichem eingesetzt werden können. In the prior art solid state lithium-ion batteries are known in thin film construction with inorganic solid electrolyte and capacities in the range of some μAh to mAh, which can be used, for example, to power micro consumers such as smart cards or the like.

Solche Zellen sind meist einlagig und können beispielsweise durch Gasphasenabscheidungstechniken hergestellt werden. Die mit Festkörperelektrolyten verbundenen Schwierigkeiten im Hinblick auf die begrenzte Lithiumionenleitfähigkeit und Grenzflächeneffekte werden dabei zumindest teilweise durch die dünnen Schichtdicken kompensiert. Für höhere Kapazitäten, wie sie z.B. zum Antrieb von Fahrzeugen nötig sind, ist eine solche Bauweise jedoch impraktikabel. Hierzu sind stattdessen Elektroden mit einem gewissen Mindestmaß an Aktivmaterial- bzw. -Komposit-Elektroden-Beladung erforderlich, um die notwendige Kapazität bereitzustellen. Während bei den Dünnschichtzellen praktisch das gesamte Aktivmaterial im direkten Kontakt sowohl zum Stromkollektor als auch zum Elektrolyten steht und die Auswirkung der Schichtdicke weitgehend vernachlässigt werden kann, werden bei entsprechend größeren Schichtdicken die elektrische Leitfähigkeit und die Lithiumionenleitfähigkeit im Inneren („Bulk“) der Schicht ein relevanter und begrenzender Faktor. Die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Festkörperelektrode lässt sich wie auch bei den herkömmlichen Flüssigelektrolyt-Zellen mit porösen Elektroden durch Zugabe eines Leitfähigkeitszusatzes wie z.B. Leit-Ruß gewährleisten, wenn erforderlich. Die Lithiumionenleitfähigkeit muss jedoch im Gegensatz zu den Flüssigelektrolyt-Zellen durch die Elektrodenstruktur bzw. -Zusammensetzung selbst bereitgestellt werden. Such cells are usually single-layered and can be produced, for example, by vapor deposition techniques. The problems associated with solid electrolyte in terms of limited lithium ion conductivity and interface effects are at least partially compensated by the thin layer thicknesses. For higher capacities, e.g. However, such a construction is impracticable to drive vehicles are necessary. Instead, electrodes with a certain minimum of active material or composite electrode loading are required to provide the necessary capacity. While in the thin-film cells virtually all of the active material is in direct contact with both the current collector and the electrolyte and the effect of the layer thickness can be largely neglected, with correspondingly greater layer thicknesses, the electrical conductivity and the lithium ion conductivity in the interior ("bulk") of the layer relevant and limiting factor. The electrical conductivity within the solid-state electrode can be achieved by adding a conductivity additive, such as in conventional liquid electrolyte cells with porous electrodes. Ensure conductive soot if required. However, unlike the liquid electrolyte cells, lithium ion conductivity must be provided by the electrode structure or composition itself.

Dies kann durch Einsatz eines Verbundmaterials aus Aktivmaterial, Festkörperelektrolyt und gegebenenfalls einem elektrisch leitfähigen Zusatz erreicht werden. Der Festkörperelektrolyt, der in Form von Partikeln vorliegt oder im Fall von Polymerelektrolyten oder glasartigen anorganischen Festkörperelektrolyten auch eine gleichförmige Matrix bilden kann, stellt die Lithiumionenleitfähigkeit innerhalb des Verbundmaterials bereit. Er übernimmt somit die Rolle des in die Porenstruktur eingedrungenen Flüssigelektrolyten im Falle der herkömmlichen Zellen. Ein solches Verbundmaterial kann je nach eingesetzten Materialien beispielsweise durch Sintern und/oder Pressen hergestellt werden, und hat vorzugsweise eine möglichst geringe Porosität, die gegen Null geht, da das Vorhandensein von Leerstellen eine Verschlechterung des Kontakts zwischen Aktivmaterial und Festelektrolyt mit sich bringt. This can be achieved by using a composite material of active material, solid electrolyte and optionally an electrically conductive additive. The solid electrolyte, which is in the form of particles or in the case of polymer electrolytes or glassy inorganic Also, solid state electrolytes can form a uniform matrix, providing lithium ion conductivity within the composite material. It thus assumes the role of the liquid electrolyte which has penetrated into the pore structure in the case of conventional cells. Such a composite material can be produced, for example, by sintering and / or pressing, depending on the materials used, and preferably has the lowest possible porosity, which approaches zero, since the presence of voids brings about a deterioration of the contact between active material and solid electrolyte.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe Problem to be solved by the invention

Bei der Herstellung von Lithium- bzw. Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssigelektrolyt werden die Elektroden-Separatoren-Ensembles üblicherweise gewickelt. Die Elektroden und Separatoren (bzw. Festelektrolytschichten) von Festkörperzellen sind hingegen im Allgemeinen mechanisch zu starr, um gewickelt werden zu können, und müssen daher gestapelt werden. Hierzu werden Elektroden bzw. Elektrolytschichten zunächst lose übereinander gelegt. Dabei kann es zu einem Versatz der Schichten kommen, was zu einer Verringerung der Produktivität und erhöhtem Ausschuss (z.B. innere Feinschlüsse wegen fehlerhafter Elektroden-Positionierung) führt. In the production of lithium or lithium-ion cells with liquid electrolyte, the electrode-separator ensembles are usually wound. On the other hand, the electrodes and separators (solid electrolyte layers) of solid-state cells are generally too rigid to be wound and therefore need to be stacked. For this purpose, electrodes or electrolyte layers are first placed loosely on top of each other. This can result in a shift of the layers, resulting in a reduction in productivity and increased rejects (e.g., internal fine defects due to faulty electrode positioning).

Weiterhin kann aufgrund erhöhter Übergangswiderstände zwischen den Grenzflächen die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zelle verringert sein. Furthermore, because of increased contact resistances between the interfaces, the performance and lifetime of the cell may be reduced.

Erfindungsgemäß sollen diese Probleme durch den Einsatz eines speziellen Bindemittels bzw. Haftvermittlers gelöst werden, welches Lithiumionenleitfähigkeit aufweist und die Haftung zwischen Elektrode und Separator erhöht sowie den Übergangswiderstand senkt. According to the invention, these problems are to be solved by the use of a special binder or adhesion promoter, which has lithium-ion conductivity and increases the adhesion between electrode and separator and lowers the contact resistance.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Festkörper-Lithiumionenzelle (All-Solid-State-Zelle), umfassend:

  • – eine positive Elektrode;
  • – eine negative Elektrode; und
  • – eine dazwischenliegende Festkörperelektrolytschicht aus einem anorganischen Festkörperelektrolyten als Separator;
wobei zwischen die positive Elektrode und den Separator und/oder zwischen die negative Elektrode und den Separator eine Haftungsvermittlungsschicht aus einem polymeren Lithiumionenleiter eingebracht ist. The present invention thus relates to a solid-state lithium-ion cell (all-solid-state cell), comprising:
  • A positive electrode;
  • A negative electrode; and
  • An intermediate solid electrolyte layer made of an inorganic solid electrolyte as a separator;
wherein between the positive electrode and the separator and / or between the negative electrode and the separator, a bonding layer made of a polymer lithium ion conductor is introduced.

Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines polymeren Lithiumionenleiters als Haftungsvermittlungsschicht zwischen positiver Elektrode und Separator und/oder zwischen der negativen Elektrode und dem Separator in einer Festkörper-Lithiumionenzelle. Another aspect of the present invention relates to the use of a polymeric lithium ion conductor as an adhesion promoting layer between the positive electrode and the separator and / or between the negative electrode and the separator in a solid state lithium ion cell.

Ein spezieller Fall ist eine Festkörperzelle mit metallischem Lithium (z.B. Lithium Folie): Hier kann der Haftvermittler zwischen Lithium-Anode und anorganischen Lithium-Ionen-Leiter appliziert sein. Zellen mit metallischer Anode können als Lithium-Zelle bezeichnet werden. A special case is a solid state cell with metallic lithium (e.g., lithium foil): Here, the coupling agent may be applied between lithium anode and inorganic lithium ion conductor. Cells with a metallic anode can be called a lithium cell.

Beschreibung der Zeichnung Description of the drawing

1 skizziert den Aufbau einer erfindungsgemäßen Festkörper-Lithiumionenzelle. Die auf der linken Seite schematisch gezeigte Verbund-Kathode ist aus einem Stromkollektor (Al-Folie) und einem darauf aufgebrachten Verbundmaterial aus Festkörperelektrolyt-Partikeln (1) und Kathoden-Aktivmaterialpartikeln (2) aufgebaut. Analog dazu ist die rechts gezeigte Verbund-Anode aus Festkörperelektrolyt-Partikeln (1) und Anoden-Aktivmaterialpartikeln (3) zusammengesetzt, die auf eine Kupferfolie als Stromkollektor aufgebracht sind. Dazwischen befindet sich ein Separator aus Festkörperelektrolyt-Partikeln (1). Zwischen die Verbund-Kathode und den Separator und zwischen den Separator und die Verbund-Anode ist jeweils eine erfindungsgemäße Haftungsvermittlungsschicht aus einem Polymerelektrolyten eingebracht. 1 outlines the structure of a solid state lithium ion cell according to the invention. The compound cathode schematically shown on the left side is composed of a current collector (Al foil) and a composite material composed of solid electrolyte particles ( 1 ) and cathode active material particles ( 2 ) built up. Similarly, the composite anode made of solid electrolyte particles shown on the right ( 1 ) and anode active material particles ( 3 ), which are applied to a copper foil as a current collector. In between there is a separator made of solid electrolyte particles ( 1 ). Between the composite cathode and the separator and between the separator and the composite anode, an adhesion-promoting layer of a polymer electrolyte according to the invention is introduced in each case.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention

Im Folgenden werden die einzelnen Merkmale der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. In the following, the individual features of the present invention will be described in detail.

Elektroden electrodes

Als positive und negative Elektrode können in der erfindungsgemäßen Festkörper-Zelle Elektroden von grundsätzlich bekanntem Typ eingesetzt werden. As a positive and negative electrode electrodes of basically known type can be used in the solid-state cell according to the invention.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Zelle mit Flüssigelektrolyt muss bei einer Komposit-Elektrode für eine Festkörperzelle die Elektrodenstruktur nicht nur elektrische Leitfähigkeit, sondern auch Lithiumionenleitfähigkeit bereitstellen. Hierzu werden allgemein Verbundmaterialien aus Aktivmaterial, Festkörperelektrolyt zur Lithiumionenleitung und Leitfähigkeitszusatz wie z.B. Leitruß oder Leitgraphit oder Kohlenstoffe wie Carbo-Nano-Tubes (CNT) oder auch Graphen für die elektrische Leitfähigkeit eingesetzt. Unlike a conventional liquid electrolyte cell, in a composite electrode for a solid state cell, the electrode structure must provide not only electrical conductivity but also lithium ion conductivity. For this purpose, composites of active material, solid electrolyte for lithium ion conduction and conductivity additive such as, for example, are generally used. Leitruß or Leitgraphit or carbons such as Carbo-Nano-Tubes (CNT) or graphene used for electrical conductivity.

Als Festkörperelektrolyt in einer solchen Verbundelektrode kommen anorganische Lithiumionenleiter in Betracht, in denen die Ionenleitung durch Bewegung der Lithiumionen zwischen Fehlstellen oder Gitterlücken der Festkörperstruktur stattfindet. Diese anorganischen Festkörperelektrolyte für Lithiumionenbatterien lassen sich allgemein in amorphe (glasartige), teilkristalline und kristalline Festkörperelektrolyte einteilen. Ein bevorzugtes Beispiel sind oxidische Lithiumionenleiter vom Granat-Typ wie Li5La3M2O12 (mit M = Nb, Ta), Li7La3Zr2O12 oder dotierte Derivate davon, wie z.B. Li6La2BaTa2O12. Weitere oxidische Lithiumionenleiter sind Verbindungen des Typs Li2+2xZn1-xGeO4, die unter der Bezeichnung „LISICON“ (Li super ionic conductor) bekannt sind. Als Beispiele für Festkörperelektrolyte auf Sulfidbasis lässt sich Li2S-P2S5 anführen, das amorph (als Glas) oder teilkristallin vorliegen kann. Kristalline sulfidische Lithiumionenleiter sind ebenfalls bekannt, beispielsweise Li3,25Ge0,25P0,75S4 und verwandte Verbindungen, die unter der Bezeichnung „thio-LISICON“ bekannt sind. As a solid electrolyte in such a composite electrode are inorganic lithium ion conductors into consideration, in which the ion conduction through Movement of lithium ions between vacancies or vacancies of the solid state structure takes place. These inorganic solid state electrolytes for lithium ion batteries are generally classified into amorphous (glassy), semi-crystalline and crystalline solid state electrolytes. A preferred example is garnet-type oxide lithium-ion conductors such as Li 5 La 3 M 2 O 12 (where M = Nb, Ta), Li 7 La 3 Zr 2 O 12, or doped derivatives thereof such as Li 6 La 2 BaTa 2 O 12 . Further oxide lithium ion conductors are compounds of the type Li 2 + 2x Zn 1-x GeO 4 , which are known by the name "LISICON" (Li super ionic conductor). Examples of sulfide-based solid-state electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , which may be amorphous (as glass) or partially crystalline. Crystalline sulfide lithium ion conductors are also known, for example, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 and related compounds known as "thio-LISICON".

Ein Verbundmaterial kann beispielsweise durch Sintern (insbesondere bei Oxiden) und/oder Pressen (bei Sulfiden) hergestellt werden. Vorzugsweise ist die Verbundelektrodenstruktur möglichst kompakt und porenfrei, da das Vorhandensein von Leerstellen eine Verschlechterung des Kontakts zwischen Aktivmaterial und Festelektrolyt mit sich bringt und die Grenzflächenwiderstände erhöht. A composite material can be produced, for example, by sintering (in particular in the case of oxides) and / or pressing (in the case of sulfides). Preferably, the composite electrode structure is as compact and non-porous as the presence of voids brings about a deterioration of the contact between active material and solid electrolyte and increases the interfacial resistances.

Als Aktivmaterial für die positive Elektrode kommen die gleichen Materialien in Betracht, die auch für Zellen mit Flüssigelektrolyt eingesetzt werden. Dabei handelt es sich üblicherweise um Verbindungen, die Lithiumionen unter Reduktion bzw. Oxidation interkalieren und deinterkalieren können. Typische Vertreter sind Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur des Typs LiMO2 (M = Co, Ni, Mn) wie LiCoO2(LCO), LiNiO2, LiMnO2 oder Mischoxide wie z.B. LiNixMnyCozO2 (NMC, mit x + y + z = 1, z.B. x = y = z = 0,33) oder LiCo0,85Al0,15O2 (NCA), einschließlich lithiumreicher Schichtoxide (overlithiated layered oxide, OLO), Spinelle wie LiMn2O4 (LMO) oder auch im Olivin-Typ kristallisierende Phosphate wie LiFePO4 (LFP) oder LiFe0,15 Mn0,85PO4 (LFMP). Erfindungsgemäß ist LCO oder eine LCO-enthaltende Mischung aus Aktivmaterialien bevorzugt. Alternativ dazu kommt auch der Einsatz von Konversionsmaterialien wie FeF3 in Betracht. As the active material for the positive electrode, the same materials are used, which are also used for cells with liquid electrolyte. These are usually compounds which can intercalate and deintercalate lithium ions under reduction or oxidation. Typical representatives are transition metal oxides with layer structure of the type LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn) such as LiCoO 2 (LCO), LiNiO 2 , LiMnO 2 or mixed oxides such as LiNi x Mn y Co z O 2 (NMC, with x + y + z = 1, eg x = y = z = 0.33) or LiCo 0.85 Al 0.15 O 2 (NCA), including lithium-rich layer oxides (OLO), spinels such as LiMn 2 O 4 (LMO ) or olivine-type crystallizing phosphates such as LiFePO 4 (LFP) or LiFe 0.15 Mn 0.85 PO 4 (LFMP). According to the invention, LCO or an LCO-containing mixture of active materials is preferred. Alternatively, the use of conversion materials such as FeF 3 comes into consideration.

Als Aktivmaterial für die negative Elektrode können ebenfalls die bereits für Zellen mit Flüssigelektrolyt bekannten Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Materialien auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Hardcarbon, Softcarbon, Silicium, Silicium-Legierung, Kohlenstoff/Silicium oder Lithiumtitantat. Da in Festkörperzellen die Dentritenabscheidung inhibiert ist, kommt für die negative Elektrode anstelle des Verbundmaterials auch metallisches Lithium in Betracht, das beispielsweise in Form einer Folie eingesetzt wird. As the negative electrode active material, the materials already known for liquid electrolyte cells may also be used, for example, carbon-based materials such as graphite, hard carbon, soft carbon, silicon, silicon alloy, carbon / silicon or lithium titanate. Since the dentrite deposition is inhibited in solid-state cells, metallic lithium, which is used for example in the form of a film, is also suitable for the negative electrode instead of the composite material.

Die Elektroden umfassen typischerweise auch einen Stromkollektor, auf den das Verbundmaterial bzw. das metallische Lithium aufgebracht ist. Vorzugsweise wird für Elektroden mit einem Potential gegenüber Li/Li+ von mehr als 1 V Aluminium-Folie eingesetzt, für Anoden mit einem Potential von 1 V oder weniger gegenüber Li/Li+ Kupferfolie. Die Schichtdicke der Verbundmaterialschicht beträgt dabei allgemein 30 bis 300 µm, vorzugsweise 50 bis 200 µm, stärker bevorzugt 80 bis 150 µm. Im Fall von metallischem Lithium kann die Schichtdicke im Bereich von 5 bis 100 µm liegen, vorzugsweise 15 bis 50 µm. The electrodes typically also include a current collector to which the composite material or metallic lithium is applied. Preferably, for electrodes having a potential to Li / Li + of more than 1 V, aluminum foil is used for anodes having a potential of 1 V or less to Li / Li + copper foil. The layer thickness of the composite material layer is generally 30 to 300 μm, preferably 50 to 200 μm, more preferably 80 to 150 μm. In the case of metallic lithium, the layer thickness may be in the range of 5 to 100 microns, preferably 15 to 50 microns.

Die Elektrode kann hergestellt werden, indem die Rohmaterialmischung, beispielsweise durch sogenannte Slurry-Beschichtung direkt auf den Stromkollektor aufgebracht, getrocknet und verpresst bzw. gesintert wird. Es ist auch möglich, eine Komposit-Elektrode als freistehenden Film oder auf einer Kunststoff-Folie herzustellen und den Film dann auf eine metallische Stromkollektorfolie zu kaschieren (z.B. durch Lamination bei erhöhter Temperatur und oder Druck). The electrode can be produced by the raw material mixture, for example by so-called slurry coating applied directly to the current collector, dried and pressed or sintered. It is also possible to make a composite electrode as a freestanding film or on a plastic film and then laminate the film onto a metallic current collector foil (e.g., by lamination at elevated temperature and or pressure).

Separator separator

Zwischen die positive und die negative Elektrode ist eine Festkörperelektrolytschicht eingebracht, die als Separator fungiert. Vorzugsweise wird dabei das gleiche Festkörperelektrolytmaterial eingesetzt, das auch in den Verbundmaterial-Elektroden verwendet wird. Die Schichtdicke der Separator-Schicht ist im Hinblick auf die Energiedichte und den Innenwiderstand vorzugsweise dünn, üblicherweise 1 bis 100 µm, vorzugsweise 2 bis 50 µm, besonders bevorzugt 5–25µm. Between the positive and the negative electrode, a solid electrolyte layer is introduced, which acts as a separator. Preferably, the same solid electrolyte material is used, which is also used in the composite material electrodes. The layer thickness of the separator layer is preferably thin with respect to the energy density and the internal resistance, usually 1 to 100 μm, preferably 2 to 50 μm, particularly preferably 5 to 25 μm.

Der Separator kann beispielsweise ebenfalls als Film durch Sintern oder Pressen hergestellt werden und anschließend auf eine der beiden Elektroden auflaminiert werden, gegebenenfalls unter Verwendung der nachfolgendend beschriebenen Haftungsvermittlungsschicht. Alternativ dazu kann der Separator direkt bei der Herstellung der Elektrode als weitere Schicht aufgebracht werden, beispielsweise unter Pressen und Sintern, oder er kann durch Gasphasenabscheidungsverfahren wie Sputtern auf der Elektrodenoberfläche abgeschieden werden. The separator may, for example, likewise be produced as a film by sintering or pressing and then laminated onto one of the two electrodes, if appropriate using the adhesion-promoting layer described below. Alternatively, the separator may be applied as a further layer directly during the manufacture of the electrode, for example under pressing and sintering, or it may be deposited on the electrode surface by vapor deposition techniques such as sputtering.

Haftungsvermittlungsschicht Liability network layer

In der erfindungsgemäßen Festkörper-Zelle wird mindestens eine Haftungsvermittlungsschicht eingesetzt, die zwischen die positive Elektrode und den Separator und/oder zwischen die negative Elektrode und den Separator eingebracht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Haftungsvermittlungsschicht sowohl zwischen die positive Elektrode und den Separator als auch zwischen die negative Elektrode und den Separator eingebracht. In the solid-state cell according to the invention, at least one adhesion-promoting layer is used, which is introduced between the positive electrode and the separator and / or between the negative electrode and the separator. In a preferred embodiment, an adhesion promoting layer is incorporated between both the positive electrode and the separator and between the negative electrode and the separator.

Die Haftungsvermittlungsschicht umfasst einen polymeren Lithiumionenleiter. Grundsätzlich können hierfür bekannte Polymerelektrolyten eingesetzt werden. Ein solcher Polymerelektrolyt umfasst ein Polymermaterial, das Lithiumionenleitfähigkeit aufweist, wie insbesondere Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylenether (PPO), Phosphazenpolymere wie MEEP oder auch Polyacrylnitril (PAN). Zur Einstellung der Lithiumionenleitfähigkeit enthalten die Polymerelektrolyte üblicherweise ein Leitsalz wie Lithiumperchlorat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, LiN(SO2F)2 (LiFSI) oder LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI). Fluorhaltige Polymere wie PVdF, PVdF-HFP und PTFE können in Kombination mit einem Leitsalz ebenfalls Lithiumionenleitung bereitstellen. Daher können als erfindungsgemäßer Polymerelektrolyt auch fluorhaltige Polymere in Kombination mit einem Leitsalz eingesetzt werden. Ein bevorzugter Polymerelektrolyt ist PEO in Verbindung mit LiFSI oder LiTFSI. The adhesion promoting layer comprises a polymeric lithium ion conductor. In principle, known polymer electrolytes can be used for this purpose. Such a polymer electrolyte comprises a polymer material having lithium ion conductivity, such as polyethylene oxide (PEO), polymethyl methacrylate (PMMA), polyphenylene ether (PPO), phosphazene polymers such as MEEP or polyacrylonitrile (PAN). To adjust the lithium ion conductivity, the polymer electrolytes usually contain a conductive salt such as lithium perchlorate, lithium tetrafluoroborate, lithium hexafluorophosphate, LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI) or LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI). Fluorine-containing polymers such as PVdF, PVdF-HFP and PTFE may also provide lithium ion conduction in combination with a conducting salt. Therefore, as a polymer electrolyte according to the invention, it is also possible to use fluorine-containing polymers in combination with a conducting salt. A preferred polymer electrolyte is PEO in conjunction with LiFSI or LiTFSI.

Die Haftungsvermittlungsschicht wird üblicherweise in einer Schichtdicke von 0,001 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 8, stärker bevorzugt 0,2 bis 5 µm eingesetzt. Durch Einsatz der Haftungsvermittlungsschicht kann das Stapeln der Zellbestandteile (positive Elektrode, Separator, negative Elektrode) bei der Zellherstellung erleichtert und ein Versatz der Lagen verhindert werden, wodurch die Entstehung von Ausschuss und das Risiko von Produktfehlern verringert wird. Zudem kann die Haftungsvermittlungsschicht den Kontakt zwischen Elektrodenoberfläche und Separatoroberfläche verbessern und Grenzflächenwiderstände minimieren. Dadurch resultiert eine Zelle mit geringem Innenwiderstand und langer Lebensdauer. The adhesion promoting layer is usually used in a layer thickness of 0.001 to 10 μm, preferably 0.1 to 8, more preferably 0.2 to 5 μm. By using the adhesion promoting layer, the stacking of cell components (positive electrode, separator, negative electrode) in cell production can be facilitated and offset of the layers can be prevented, thereby reducing the generation of scrap and the risk of product defects. In addition, the adhesion promoting layer can improve the contact between the electrode surface and the separator surface and minimize interface resistances. This results in a cell with low internal resistance and a long service life.

Lithiumionenzellen Lithium-ion cells

Die erfindungsgemäßen Lithiumionenzellen umfassen gestapelte Anordnungen aus positiver Elektrode, Separator und negativer Elektrode, wobei die Haftungsvermittlungsschicht zwischen die positive Elektrode und den Separator und/oder die negative Elektrode und den Separator eingebracht ist. 1 illustriert schematisch eine solche Zelle. The lithium ion cells of the present invention comprise stacked positive electrode separator, separator and negative electrode assemblies, wherein the adhesion promoting layer is interposed between the positive electrode and the separator and / or the negative electrode and the separator. 1 schematically illustrates such a cell.

Die Herstellung kann durch die folgenden Schritte erfolgen:

  • a. Bereitstellung einer Verbundkathode, in der ein Verbund-Kathodenaktivmaterial auf einer Stromkollektorfolie bereitgestellt ist;
  • b. Aufbringung einer ersten Haftungsvermittlungsschicht durch Darüberlegen einer freistehenden Folie, alternativ durch Aufrakeln, Tränkung mit Gravurwalze oder Aufsprühen des Polymerelektrolyt-Materials und anschließendes Trocknen bzw. Entfernung des Trägerlösemittels;
  • c. Aufbringung einer Separator-Schicht;
  • d. Aufbringung einer zweiten Haftungsvermittlungsschicht auf die gleiche Weise wie die erste Haftungsvermittlungsschicht, d.h., durch Darüberlegen einer freistehenden Folie, alternativ durch Aufrakeln oder Aufsprühen des Polymerelektrolyt-Materials und anschließendes Trocknen;
  • e. Aufbringen einer Anode durch Darüberlegen einer Anodenfolie, die ein auf eine Stromkollektorfolie aufgebrachtes Anoden-Aktivmaterial umfasst.
The preparation can be done by the following steps:
  • a. Providing a composite cathode in which a composite cathode active material is provided on a current collector foil;
  • b. Applying a first adhesion promoting layer by overlying a free-standing film, alternatively by knife coating, impregnation with gravure roll or spraying of the polymer electrolyte material and subsequent drying or removal of the carrier solvent;
  • c. Application of a separator layer;
  • d. Applying a second adhesion promoting layer in the same manner as the first adhesion promoting layer, that is, by overlaying a free-standing film, alternatively by doctoring or spraying the polymer electrolyte material and then drying;
  • e. Depositing an anode by overlying an anode foil comprising an anode active material applied to a current collector foil.

Alternativ ist es auch möglich, während der Herstellung der Verbundkathode die Separatorschicht direkt auf die aktive Schicht aufzubringen, um eine Verbundkathode mit integrierter Separatorschicht bereitzustellen. Dies vereinfacht das Verfahren und ermöglicht es, eine der beiden Haftungsvermittlungsschichten einzusparen. Die Schrittfolge ist dann wie folgt:

  • a'. Bereitstellung einer Verbundkathode mit aufgebrachter Separatorschicht,
  • d. Aufbringung einer Haftungsvermittlungsschicht durch Darüberlegen einer freistehenden Folie, alternativ durch Aufrakeln oder Aufsprühen des Polymerelektrolyt-Materials und anschließendes Trocknen;
  • e. Aufbringen einer Anode durch Darüberlegen einer Anodenfolie, die ein auf eine Stromkollektorfolie aufgebrachtes Anoden-Aktivmaterial umfasst. Ein Sonderfall ist eine Lithium-Zelle; hier kann die metallische Lithium-Folie selbst als Stromkollektor fungieren.
Alternatively, it is also possible during the manufacture of the composite cathode to apply the separator layer directly to the active layer in order to provide a composite cathode with integrated separator layer. This simplifies the process and makes it possible to save one of the two adhesion-promoting layers. The sequence is then as follows:
  • a '. Providing a composite cathode with a deposited separator layer,
  • d. Applying an adhesion promoting layer by overlaying a freestanding film, alternatively by doctoring or spraying the polymer electrolyte material and then drying;
  • e. Depositing an anode by overlying an anode foil comprising an anode active material applied to a current collector foil. A special case is a lithium cell; Here, the metallic lithium foil itself can act as a current collector.

Anschließend wird eine elektrische Isolator-Folie über die Stromkollektorfolie des Anoden-Aktivmaterials gelegt und das Verfahren solange wiederholt, bis die gewünschte Zielkapazität bzw. Zieldicke erreicht ist. Alternativ kann die Reihenfolge der Schritte und damit die resultierende Stapelweise auch umgekehrt werden. In einer weiteren Alternative kann nach Bildung der ersten Lage durch die Schritte a–e bzw. a‘, d und e eine Bildung der nächsten Lage in umgekehrter Stapelrichtung erfolgen, um Duplex-Zellen bereitzustellen. Subsequently, an electrical insulator film is placed over the current collector foil of the anode active material and the process is repeated until the desired target capacity or target thickness is reached. Alternatively, the order of steps and thus the resulting stacking may be reversed. In a further alternative, after formation of the first layer by the steps a-e or a ', d and e, the next layer may be formed in the reverse stacking direction to provide duplex cells.

Da die Lithiumionenleitung in Polymerelektrolyten im Allgemeinen mit einer Aktivierungsenergie verbunden ist, ist die Zelle typischerweise für den Betrieb bei erhöhter Temperatur vorgesehen, beispielsweise 30 bis 100°C, bevorzugt 50 bis 80°C. Since the lithium ion conduction in polymer electrolytes is generally associated with an activation energy, the cell is typically designed for operation at elevated temperature, for example 30 to 100 ° C, preferably 50 to 80 ° C.

Claims (9)

Festkörper-Lithiumbatterie, umfassend: – eine positive Elektrode; – eine negative Elektrode; und – eine dazwischenliegende Festkörperelektrolytschicht aus einem anorganischen Festkörperelektrolyten als Separator; wobei zwischen die positive Elektrode und den Separator und/oder zwischen die negative Elektrode und den Separator eine Haftungsvermittlungsschicht aus einem polymeren Lithiumionenleiter eingebracht ist. A solid-state lithium battery comprising: a positive electrode; A negative electrode; and an intermediate solid electrolyte layer of a solid state inorganic electrolyte as a separator; between the positive electrode and the separator and / or between the negative electrode and the separator is incorporated with an adhesion-imparting layer of a polymeric lithium-ion conductor. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß Anspruch 1, wobei sowohl zwischen die positive Elektrode und den Separator als auch zwischen die negative Elektrode und den Separator eine Haftungsvermittlungsschicht eingebracht ist. The solid state lithium battery according to claim 1, wherein an adhesion promoting layer is incorporated between both the positive electrode and the separator and between the negative electrode and the separator. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß Anspruch 1, wobei der Separator direkt auf der positive Elektrode aufgebracht ist und zwischen die negative Elektrode und den Separator eine Haftungsvermittlungsschicht eingebracht ist. The solid state lithium battery according to claim 1, wherein the separator is directly applied to the positive electrode, and an adhesion promoting layer is interposed between the negative electrode and the separator. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Haftungsvermittlungsschicht eine Dicke von 0.001 bis 10 µm aufweist. The solid state lithium battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the adhesion promoting layer has a thickness of 0.001 to 10 μm. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der polymere Lithiumionenleiter der Haftungsvermittlungsschicht Polyethylenoxid (PEO) und ein lithiumhaltiges Leitsalz umfasst. The solid state lithium battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymeric lithium ion conductor of the adhesion promoting layer comprises polyethylene oxide (PEO) and a lithium-containing conductive salt. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß Anspruch 5, wobei das Leitsatz aus LiPF6, LiBF4, LiN(SO2F)2 (LiFSI) und LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) oder Mischungen daraus ausgewählt ist. A solid-state lithium battery according to claim 5, wherein the principle is selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI) and LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI) or mixtures thereof. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Festkörperelektrolyt des Separators aus oxidischen Festkörperelektrolyten vom Granat-Typ, keramischen oder glasartigen oxidischen Festkörperelektrolyten und sulfidischen Festkörperelektrolyten ausgewählt ist.  The solid-state lithium battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the solid electrolyte of the separator is selected from garnet-type oxide solid electrolytic, ceramic or glass oxide solid oxide electrolytes and sulfided solid electrolytes. Festkörper-Lithiumbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die positive Elektrode ein Aktivmaterial umfasst, das aus LiCoO2 (LCO), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), LiCo0,85Al0,15O2 (NCA), Aktivmaterialien vom Spinell- oder Olivin-Typ, und Konversionsmaterialien wie FeF3 ausgewählt ist. The solid state lithium battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the positive electrode comprises an active material composed of LiCoO 2 (LCO), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), LiCo 0.85 Al 0.15 O 2 (NCA), spinel or olivine type active materials, and conversion materials such as FeF 3 . Festkörper-Lithiumbatterie gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die negative Elektrode ein Aktivmaterial umfasst, das aus metallischem Lithium, Interkalationsmaterialien auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Harcarbon oder Softcarbon, Silizium, Silizium-Legierung oder Silizium/Kohlenstoff ausgewählt ist. The solid-state lithium battery according to any one of claims 1 to 8, wherein the negative electrode comprises an active material selected from metallic lithium, carbon-based intercalation materials such as graphite, harcarbon or soft carbon, silicon, silicon alloy or silicon / carbon.
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