DE102016216555A1 - Shaped electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundelektrodenstruktur für eine Lithiumionenzelle, die ein Festkörperelektrolytmaterial mit poröser Schaumstruktur, einen Leitfähigkeitszusatz, der in die Poren der Schaumstruktur eingebracht ist und ein Aktivmaterial, das in die Poren der Schaumstruktur eingebracht ist, umfasst.The present invention relates to a composite electrode structure for a lithium ion cell comprising a solid electrolyte material having a porous foam structure, a conductivity additive incorporated in the pores of the foam structure, and an active material incorporated in the pores of the foam structure.
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die einen anorganischen oder polymeren Lithiumionenleiter mit Schaumstruktur umfasst, sowie eine entsprechende Lithiumionenzelle, die die Elektrode umfasst. The present invention relates to an electrode for a lithium ion cell comprising a foamed inorganic or polymeric lithium ion conductor and a corresponding lithium ion cell comprising the electrode.
Technischer Hintergrund Technical background
Gegenwärtig werden meist 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 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 Leitsalz wie 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, liquid electrolyte lithium ion batteries are generally used, which basically comprise a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode), and an intermediate separator impregnated with a non-aqueous liquid electrolyte. The anode and cathode each comprise an 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 esters in which a conducting salt such as 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 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 HF und POF3 zersetzt werden kann. However, such liquid electrolyte cells are subject to certain limitations. Thus, due to the limited 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 HF and POF 3 .
Der Einsatz von festen Elektrolyten stellt eine Möglichkeit dar, einerseits diese Risiken zu vermeiden und andererseits die Energiedichte und Haltbarkeit noch weiter zu erhöhen. Unter Festkörperelektrolyten werden einerseits glasartige oder keramische anorganische Verbindungen verstanden, die Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweisen. Andererseits werden zu den Festkörperelektrolyten auch Polymerelektrolyte gerechnet. The use of solid electrolytes is one way to avoid these risks on the one hand and to further increase the energy density and durability on the other hand. Solid-state electrolytes on the one hand glassy or ceramic inorganic compounds are understood to have conductivity for lithium ions. On the other hand, polymer electrolytes are also counted among the solid-state electrolytes.
Im Stand der Technik sind Festkörper-Lithiumionenbatterien 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. 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-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, wird bei entsprechend größeren Schichtdicken die elektrische Leitfähigkeit und die Lithiumionenleitfähigkeit im Inneren („Bulk“) der Schicht ein relevanter 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 selbst bereitgestellt werden. In the prior art, solid-state lithium ion batteries in thin-film construction with inorganic solid electrolyte and capacities in the range of a few μAh to mAh are known, which can be used, for example, for the power supply of very small consumers such as smart cards or the like. 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 loading are required to provide the necessary capacity. While in the thin-film cells practically all 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 larger layer thicknesses, the electrical conductivity and the lithium ion conductivity in the interior ("bulk") of the layer relevant 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 itself.
Dies kann durch Einsatz eines Verbundmaterials aus Aktivmaterial, Festkörperelektrolyt und gegebenenfalls einem elektrisch leitfähigen Zusatz sowie gegebenenfalls durch einen Binder 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, 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 and optionally by a binder. The solid electrolyte, which is in the form of particles or can also form a uniform matrix in the case of polymer electrolytes or glassy inorganic solid electrolytes, provides lithium ion conductivity within the composite. 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, since the presence of voids brings about a deterioration in 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
Wie oben beschrieben werden für Zellen mit Festkörperelektrolyt meist Verbundelektroden, die Aktivmaterial-Partikel, Festkörperelektrolyt-Partikel zur Verleihung von Lithiumionen-Leitfähigkeit sowie gegebenenfalls einen Leitfähigkeitszusatz zum Verleihen elektrischer Leitfähigkeit umfassen, eingesetzt. As described above, for cells having a solid electrolyte, composite electrodes, the active material particles, solid electrolyte particles for imparting lithium ion conductivity are usually used and optionally, a conductivity additive for imparting electrical conductivity used.
Ein Nachteil solcher Verbundmaterialien ist häufig, dass ein relativ hoher Anteil an Festkörperelektrolyt notwendig ist, was einen entsprechend verringerten Anteil an Aktivmaterial zur Folge hat. Somit kann das Verhältnis von Aktivmaterial zu Passivmaterial ungünstig werden, und die volumenbezogene und gewichtsbezogene Energiedichte verringert sich. A disadvantage of such composite materials is often that a relatively high proportion of solid electrolyte is necessary, resulting in a correspondingly reduced proportion of active material. Thus, the ratio of active material to passive material can become unfavorable and the volume and weight-related energy density decreases.
Ein weiterer Nachteil kann sein, dass sich aufgrund von Volumenänderungen im Aktivmaterial aufgrund der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen mechanische Spannungen ausbilden können. Dies kann die Beladung mit Aktivmaterial weiter begrenzen und zudem bei zunehmender Anzahl von Ladezyklen zu verstärktem Verschleiß der Elektrode führen. Wenn anstelle eines Interkalations-Aktivmaterials ein Konversions-Material eingesetzt werden soll, so ist dieser Effekt noch ausgeprägter. Another disadvantage may be that due to the volume changes in the active material due to the intercalation and Deinterkalation of lithium ions mechanical stresses can form. This can further limit the loading of active material and also lead to increased wear of the electrode with increasing number of charging cycles. If a conversion material is to be used instead of an intercalation active material, this effect is even more pronounced.
Diese Problematik wird in Verbundelektroden noch dadurch verstärkt, dass die Elektrode zum Erreichen einer hohen Lithiumionenleitfähigkeit im Allgemeinen sehr kompakt sein muss, um einen maximalen Kontakt zwischen Aktivmaterial und Festkörperelektrolyt bereitzustellen. Daher enthält die Elektrode (etwa im Gegensatz zu Elektroden für Flüssigelektrolyt-Zellen) kaum Hohlvolumen, das die Volumenänderung des Aktivmaterials abfangen könnte. This problem is compounded in composite electrodes by the fact that the electrode generally has to be very compact in order to achieve a high lithium ion conductivity in order to provide maximum contact between active material and solid electrolyte. Therefore, unlike electrodes for liquid electrolyte cells, the electrode hardly contains any void volume that could trap the volume change of the active material.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verbundelektrodenmaterial bereitzustellen, das eine erhöhte Beladung mit Aktivmaterial ermöglicht und zudem eine verbesserte Resistenz gegenüber mechanischen Spannungen aufweist. The present invention is therefore based on the object to provide a composite electrode material which allows an increased loading of active material and also has an improved resistance to mechanical stresses.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Zur Lösung der obigen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung eine Verbundelektrodenstruktur für eine Lithiumionenzelle bereit, die folgendes umfasst:
- – Ein Festkörperelektrolytmaterial mit poröser Schaumstruktur und Lithiumionenleitfähigkeit;
- – Einen Leitfähigkeitszusatz mit elektrischer Leifähigkeit, der in die Poren der Schaumstruktur eingebracht ist; und
- – Ein Aktivmaterial, das in die Poren der Schaumstruktur eingebracht ist.
- A solid electrolyte material having a porous foam structure and lithium ion conductivity;
- - A conductivity additive with electrical conductivity, which is introduced into the pores of the foam structure; and
- An active material incorporated in the pores of the foam structure.
Wahlweise kann die Verbundelektrodenstruktur weiterhin ein Bindemittel umfassen, das ebenfalls in die Poren der Schaumstruktur eingebracht ist. Optionally, the composite electrode structure may further comprise a binder also incorporated in the pores of the foam structure.
Das Festkörperelektrolytmaterial kann insbesondere ein anorganischer Lithiumionenleiter oder ein Polymerelektrolyt sein. The solid electrolyte material may be, in particular, an inorganic lithium ion conductor or a polymer electrolyte.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Lithiumionenzelle, die diese Verbundelektrodenstruktur einsetzt. Another aspect of the present invention relates to a lithium-ion cell employing this composite electrode structure.
Erfindungsgemäß fungiert die poröse Schaumstruktur des Festkörperelektrolyten hier als eine Art Gerüst, das Stabilität gegenüber mechanischen Spannungen aufgrund von Volumenänderungen des Aktivmaterials bereitstellt. Weiterhin wird es durch die Schaumstruktur möglich, gleichzeitig eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit bereitzustellen und ein Leervolumen vorzuhalten, das als Puffervolumen fungiert und so die mechanischen Spannungen reduziert. According to the invention, the porous foam structure of the solid electrolyte functions here as a kind of framework which provides stability against mechanical stresses due to volume changes of the active material. Furthermore, the foam structure makes it possible to simultaneously provide a high lithium ion conductivity and to provide a void volume which acts as a buffer volume and thus reduces the mechanical stresses.
Beschreibung der Zeichnungen Description of the drawings
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Im Folgenden werden die einzelnen Merkmale und Bestandteile der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. In the following, the individual features and components of the present invention will be described in more detail.
Festkörperelektrolyt Solid electrolyte
Durch den Einsatz eines Festkörperelektrolyten mit einer porösen Schaumstruktur wird es möglich, die Kontaktfläche zwischen Aktivmaterial und Festkörperelektrolyt zu maximieren. So kann mit vergleichsweise geringem Gewichtsanteil an Festkörperelektrolyt eine sehr gute Lithiumionenübertragung zum Aktivmaterial erreicht werden. Die Schaumstruktur bildet zudem ein weitreichendes Netzwerk aus ionenleitenden Pfaden aus, was die Ionenleitfähigkeit innerhalb der Elektrodenstruktur weiter verbessert, da Effekte wie Grenzflächenwiderstände beim Übergang zwischen einzelnen Festkörperelektrolytpartikeln minimiert werden. Es können sowohl anorganische Festkörperelektrolyte, beispielsweise keramische Festkörperelektrolyte oder glasartige Festkörperelektrolyte, als auch Polymerelektrolyte als Festkörperelektrolyt eingesetzt werden. By using a solid electrolyte having a porous foam structure, it becomes possible to maximize the contact area between active material and solid electrolyte. Thus, with comparatively low weight fraction of solid electrolyte, a very good lithium ion transfer to the active material can be achieved. The foam structure also forms a far-reaching network of ion-conducting paths, which further improves ionic conductivity within the electrode structure, as effects such as interfacial resistances in the transition between individual solid electrolyte particles are minimized. It is possible to use both inorganic solid-state electrolytes, for example ceramic solid-state electrolytes or glass-like solid-state electrolytes, and also polymer electrolytes as the solid-state electrolyte.
Für die Bereitstellung erfindungsgemäß einsetzbarer anorganischer Festkörperelektrolyte mit Schaumstruktur können aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise bei der Herstellung geschäumter Keramiken oder Gläser für Filter-Zwecke Anwendung finden. Insbesondere können Templat-Verfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise in
Dabei wird ein Polymerschaum wie Polyurethanschaum, der als Templat fungiert, mit Vorläufer-Verbindungen (Precursor-Verbindungen) des anorganischen Festkörperelektrolyten imprägniert. Das Templat und die Precursor-Verbindungen werden durch anschließende Pyrolyse zersetzt, und aus den Precursoren wird ein Keramikmaterial gebildet, das die Schaumstruktur des Templats innehat. Bei diesem Herstellungsverfahren kann die Porengröße durch die Porosität des Templats gesteuert werden. In this case, a polymer foam such as polyurethane foam, which acts as a template, impregnated with precursor compounds (precursor compounds) of the inorganic solid electrolyte. The template and the precursor compounds are decomposed by subsequent pyrolysis, and from the precursors, a ceramic material is formed, which holds the foam structure of the template. In this production method, the pore size can be controlled by the porosity of the template.
Beispiele für einsetzbare anorganische Festkörperelektrolyte umfassen keramische oder glasartige oxidische, sulfidische oder Phosphat-basierte Festkörperelektrolyte. Bevorzugte Beispiele der oxidischen Festkörperelektrolyte umfassen Festkörperelektrolyte vom Granat-Typ wie LixLa3M2O12 (mit M = Nb, Ta, Zr und x = 15 – 2·[Valenz von M]; üblicherweise beträgt x 5 bis 7) oder dotierte bzw. substituierte Derivate davon, wie z.B. Li6La2BaTa2O12, Li7La3Zr2O12 oder Al-stabilisierte Varianten, wie beispielsweise Li6.24La3Zr2Al0.24O11.98, Lithiumionenleiter vom LISICON-Typ, oder Perovskite wie LLTO. Als Precursoren können z.B. Oxide, Hydroxide, Carbonate oder Nitrate verwendet werden. Beispielsweise kann die Synthese dadurch erfolgen, dass das Templat mit einer Precursor-Lösung imprägniert wird, die entsprechenden Hydroxyde ausgefällt werden, und anschließend getrocknet und gesintert wird, um den oxidischen Festkörperelektrolyten zu erhalten. Examples of usable solid state inorganic electrolytes include ceramic or glassy oxide, sulfide or phosphate based solid state electrolytes. Preferred examples of the oxide solid electrolytes include garnet type solid electrolytes such as Li x La 3 M 2 O 12 (where M = Nb, Ta, Zr and x = 15-2 * [valence of M], usually x 5 to 7) or doped or substituted derivatives thereof, such as Li 6 La 2 BaTa 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 or Al-stabilized variants, such as Li 6.24 La 3 Zr 2 Al 0.24 O 11.98 , LISICON type lithium ion conductors , or perovskites like LLTO. As precursors, for example, oxides, hydroxides, carbonates or nitrates can be used. For example, the synthesis can be carried out by impregnating the template with a precursor solution, precipitating the corresponding hydroxides, and then drying and sintering to obtain the solid oxide electrolyte.
Beispiele von sulfidischen Festkörperelektrolyten umfassen Li2S – P2S5 oder Li2S-SiS2-Li3N in variierenden Mischungsverhältnissen. Als Precursoren können z.B. Li2S und P2S5 in geeigneten Lösungsmitteln wie NMF gelöst eingesetzt werden. Als Phosphat-basierter Festkörperelektrolyt kommen z.B. Lithium-Aluminium-Titan-Phosphate (LATP) in Betracht, beispielsweise mit der Stöchiometrie Li1,5Al0,5Ti1,5(PO4)3 oder Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3. Solche Festkörperelektrolyte können durch Sol-Gel-Synthese erhalten werden, als Precursoren können CH3COOLi, Al(C3H7O)3, Ti(C3H7O)4 und (NH4)2HPO4, ggf. mit C3H7OH und H2O eingesetzt werden. Examples of solid state sulfidic electrolytes include Li 2 S - P 2 S 5 or Li 2 S - SiS 2 - Li 3 N in varying mixing ratios. As precursors, for example, Li 2 S and P 2 S 5 can be used dissolved in suitable solvents such as NMF. As a phosphate-based solid electrolyte, for example, lithium-aluminum-titanium phosphates (LATP) into consideration, for example, with the stoichiometry Li 1.5 Al 0.5 Ti 1.5 (PO 4 ) 3 or Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 . Such solid-state electrolytes can be obtained by sol-gel synthesis, as precursors CH 3 COOLi, Al (C 3 H 7 O) 3 , Ti (C 3 H 7 O) 4 and (NH 4 ) 2 HPO 4 , optionally with C 3 H 7 OH and H 2 O are used.
Alternativ zum anorganischen Festkörperelektrolyt kann auch ein Polymerelektrolyt eingesetzt werden. Der 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). Ein bevorzugter Polymerelektrolyt ist PEO in Verbindung mit LiN(SO2F)2 (LiFSI) oder LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI). Zur weiteren Einstellungen der Eigenschaften des Polymers können auch Copolymere zum Einsatz kommen, bzw Veränderungen an der Grundstruktur des Polymers vorgenommen werden. As an alternative to the inorganic solid electrolyte, it is also possible to use a polymer electrolyte. The 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). A preferred polymer electrolyte is PEO in conjunction with LiN (SO 2 F) 2 (LiFSI) or LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI). For further adjustments of the properties of the polymer, it is also possible to use copolymers or to make changes to the basic structure of the polymer.
Das Schäumen des Polymerelektrolyten kann durch bekannte Extrusions- oder Sprühverfahren bewirkt werden. Hierzu wird eine Mischung aus Polymer, Leitsalz und Schäum-Mittel schmelzextrudiert. Das Schäum-Mittel ist nicht speziell beschränkt. Beispielsweise können leichtflüchtige Kohlenwasserstoffe oder halogenierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, die bei der Extrusion oder beim Sprühen verdampfen und so ein Schäumen bewirken. Verbindungen, die sich beim Erwärmen unter Gasbildung zersetzen, kommen ebenfalls in Betracht. Alternativ dazu kann ein Schäumen mittels Einleiten von Gasen während der Polymerisation bewirkt werden. The foaming of the polymer electrolyte may be effected by known extrusion or spraying methods. For this purpose, a mixture of polymer, conductive salt and foaming agent is melt extruded. The foaming agent is not specifically limited. For example, volatile hydrocarbons or halogenated hydrocarbons can be used, which evaporate during extrusion or spraying and thus cause foaming. Compounds which decompose upon heating to form gas also come into consideration. Alternatively, foaming may be effected by introducing gases during the polymerization.
Die so erhaltenen Festkörperelektrolytschäume weisen beispielsweise eine Porosität von 50 bis 99%, vorzugsweise 80 bis 97% auf. Die Porosität kann beispielsweise über Quecksilber-Porosimetrie oder Pyknometrie bestimmt werden. Wenn der Schaum in einer Form vorliegt, deren äußere Abmessungen leicht bestimmt werden können (z.B. als Block, Schicht oder Folie), dann kann die Porosität auch einfach anhand der scheinbaren Dichte, die aus den Abmessungen und dem Gewicht des Schaumes ermittelt wird, und der Dichte des Festkörperelektrolyt-Materials, das den Schaum aufbaut, berechnet werden. The solid electrolyte foams thus obtained have, for example, a porosity of 50 to 99%, preferably 80 to 97%. The porosity can be determined, for example, by means of mercury porosimetry or pycnometry. If the foam is in a form whose external dimensions can be readily determined (eg as a block, sheet or foil), then the porosity can also be simply determined by the apparent density, which is determined from the dimensions and weight of the foam, and Density of the solid electrolyte material that composes the foam can be calculated.
Die mittlere Porengröße liegt beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 500 µm, vorzugsweise 0,1 bis 50 µm. Die mittlere Porengröße bezeichnet hier den auf das Porenvolumen bezogenen Median-Porendurchmesser, der beispielsweise durch Quecksilber-Porosimetrie ermittelt werden kann. The mean pore size is for example in the range of 0.01 to 500 .mu.m, preferably 0.1 to 50 microns. The mean pore size here refers to the pore volume median pore diameter, which can be determined for example by mercury porosimetry.
Der Schaum kann beispielsweise in Form von Partikeln bereitgestellt werden, die dann mit Aktivmaterial und Leitfähigkeitszusatz durch Mischen oder unter Einsatz von Precursor-Techniken beladen werden können, wie weiter unten beschrieben. In diesem Fall ist der volumengemittelte Partikeldurchmesser beispielsweise 0,05 bis 50 µm, vorzugsweise 0,1 bis 30 µm, insbesondere 0,5 bis 5 µm, und die mittlere Porengröße ist entsprechend geringer als die Partikelgröße. The foam may be provided, for example, in the form of particles, which may then be loaded with active material and conductivity additive by mixing or using precursor techniques, as described below. In this case, the volume-average particle diameter is, for example, 0.05 to 50 μm, preferably 0.1 to 30 μm, more preferably 0.5 to 5 μm, and the average pore size is correspondingly smaller than the particle size.
Alternativ kann der Schaum auch in Form einer Schicht oder einer Folie bereitgestellt werden, und beispielsweise durch Imprägnieren oder Precursor-Techniken beladen werden. Alternatively, the foam may also be provided in the form of a layer or film and loaded, for example, by impregnation or precursor techniques.
Aktivmaterial active material
Das Aktivmaterial ist nicht speziell beschränkt, und es können übliche Kathoden- bzw. Anoden-Aktivmaterialien für Lithiumionenbatterien eingesetzt werden. The active material is not particularly limited, and usual cathode and anode active materials may be used for lithium-ion batteries.
Beispiele für einsetzbare Kathoden-Aktivmaterialien sind Übergangsmetalloxide mit Schichtstruktur des Typs LiMO2 (M = Co, Ni, Mn) wie LiCoO2 (LCO), LiNiO2, LiMnO2 oder Mischoxide wie LiNixMnyCozO2 (mit x+y+z=1; NMC) oder LiCo0,85Al0,15O2 (NCA), Spinelle wie LiMn2O4 (LMO) oder auch im Olivin-Typ kristallisierende Phosphate wie LiFePO4 (LFP) oder LiFe0,15 Mn0,85PO4 (LFMP). Eine weitere Klasse der Kathodenmaterialien sind Konversionsmaterialien wie z.B. Übergangsmetallfluoride wie FeF3, NiF2, CoFeF3 etc. Die Verwendung einer Mischung von zwei oder mehrerer dieser Materialien kommt ebenfalls in Betracht. Examples of usable cathode active materials are LiMO 2 type layered metal oxides (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 (with x + y + z = 1, NMC) or LiCo 0.85 Al 0.15 O 2 (NCA), 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). Another class of cathode materials are conversion materials such as transition metal fluorides such as FeF 3 , NiF 2 , CoFeF 3, etc. The use of a mixture of two or more of these materials is also contemplated.
Als Anoden-Aktivmaterial können beispielsweise Interkalationsmaterialien auf Kohlenstoffbasis, Lithiumtitanat-Materialien, Lithium, Silizium oder Kohlenstoff/Silicium eingesetzt werden. As the anode active material, for example, carbon-based intercalating materials, lithium titanate materials, lithium, silicon or carbon / silicon may be used.
Beladen mit Mischung aus Aktivmaterial und Leitfähigkeitszusatz Loaded with a mixture of active material and conductivity additive
In die Porenstruktur des geschäumten Festkörperelektrolyten können Aktivmaterial und Leitfähigkeitszusatz als Mischung eingebracht werden. In the pore structure of the foamed solid electrolyte active material and conductivity additive can be introduced as a mixture.
In einer ersten Ausführungsform werden dabei Partikel aus Festkörperelektrolyt-Schaum, Aktivmaterial-Partikel und Leitfähigkeitszusatz mechanisch vermischt, wie in
Die mittleren Teilchengrößen der Aktivmaterial-Partikel und des Leitfähigkeitszusatzes sind dabei kleiner als die mittlere Porengröße des Festkörperelektrolyt-Schaums. Typische volumengemittelte Teilchengrößen der Aktivmaterial-Partikel liegen im Bereich von 10 nm bis 20 µm, vorzugsweise 50 nm bis 5 µm, stärker bevorzugt 0,1 bis 1 µm. The mean particle sizes of the active material particles and of the conductivity additive are smaller than the average pore size of the solid electrolyte foam. Typical volume average particle sizes of the active material particles are in the range of 10 nm to 20 μm, preferably 50 nm to 5 μm, more preferably 0.1 to 1 μm.
Als Leitfähigkeitszusatz kann dabei ein Kohlenstoffmaterial mit einer Teilchengröße von vorzugsweise 1 nm bis 10 µm, stärker bevorzugt 10 nm bis 5 µm, insbesondere 50 nm bis 1 µm eingesetzt werden, wie beispielsweise Ruß oder Graphitpartikel. Ebenfalls in Betracht kommt der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) oder Graphen. As the conductive additive, a carbon material having a particle size of preferably 1 nm to 10 μm, more preferably 10 nm to 5 μm, especially 50 nm to 1 μm, such as carbon black or graphite particles, may be used. Also contemplated is the use of carbon nanotubes (CNTs) or graphene.
Das Volumenverhältnis von Aktivmaterial und Leitfähigkeitszusatz ist üblicherweise im Bereich von 70:30 bis 99:1, vorzugsweise 80:20 bis 95:5. Das Verhältnis von Aktivmaterial und Leitfähigkeitszusatz zum Festkörperelektrolyt-Schaum kann in Anbetracht der Porosität des Festkörperelektrolyt-Schaumes so gewählt werden, dass das Porenvolumen des Festkörperelektrolyten ausgefüllt wird. The volume ratio of active material and conductivity additive is usually in the range of 70:30 to 99: 1, preferably 80:20 to 95: 5. The ratio of active material and conductivity additive to the solid electrolyte foam can be selected in consideration of the porosity of the solid electrolyte foam so that the pore volume of the solid electrolyte is filled.
Die Beschichtung der Poren kann durch Trockenmischung erfolgen, oder das Aktivmaterial und der Leitfähigkeitszusatz können in einem geeigneten Lösemittel dispergiert und mit den Partikeln des Festkörperelektrolyt-Schaumes oder der Festkörperschaumschicht gemischt werden. Gegebenenfalls kann ein Bindemittel wie PVdF zugegeben werden. Die so erhaltene Mischung kann optional gesiebt werden, um die beladenen Partikel des Festkörperelektrolyt-Schaumes zu isolieren. The coating of the pores can be done by dry mixing, or the active material and the conductive additive can be dispersed in a suitable solvent and mixed with the particles of the solid electrolyte foam or the solid state foam layer. Optionally, a binder such as PVdF may be added. The resulting mixture may optionally be screened to isolate the loaded particles of the solid electrolyte foam.
Anschließend können die Mischung oder die isolierten, beladenen Partikel zur Herstellung der Verbundelektrode gepresst und/oder gesintert werden. Subsequently, the mixture or the isolated, loaded particles can be pressed and / or sintered to produce the composite electrode.
Wenn der geschäumte Festkörperelektrolyt in Form einer Folie oder eines Films vorliegt, so kann die Beschichtung der Poren durch Imprägnieren mit einer Dispersion des Aktivmaterials und des Leitfähigkeitszusatzes in einem geeigneten Lösungsmittel erfolgen, gegebenenfalls unter Zusatz eines Bindemittels. Für eine gleichmäßige Imprägnierung ist das Verhältnis des Median-Porendurchmessers des Festkörperelektrolyt-Schaums zum volumengemittelten Durchmesser des dispergierten Aktivmaterials und des Leitfähigkeitszusatzes vorzugsweise 2:1 oder größer, stärker bevorzugt 5:1 oder größer, noch stärker bevorzugt 10:1 oder größer. If the foamed solid electrolyte is in the form of a film or a film, the coating of the pores can be carried out by impregnation with a dispersion of the active material and the conductivity additive in a suitable solvent, optionally with the addition of a binder. For uniform impregnation, the ratio of the median pore diameter of the solid electrolyte foam to the volume median diameter of the dispersed active material and the conductivity additive is preferably 2: 1 or greater, more preferably 5: 1 or greater, even more preferably 10: 1 or greater.
Alternativ zum mechanischen Vermischen oder Imprägnieren mit einer Dispersion ist es auch möglich, das Aktivmaterial und/oder den Leitfähigkeitszusatz unter Einsatz von Precursor-Verbindungen in die Porenstruktur einzubringen. Hierzu wird der Festkörperelektrolyt-Schaum mit den Precursoren imprägniert, die dann anschließend in das Aktivmaterial bzw. den Leitfähigkeitszusatz umgewandelt werden, die sich im Inneren der Porenstruktur abscheiden. As an alternative to mechanical mixing or impregnation with a dispersion, it is also possible to introduce the active material and / or the conductivity additive into the pore structure using precursor compounds. For this purpose, the solid electrolyte foam is impregnated with the precursors, which are then subsequently converted into the active material or the conductivity additive, which are deposited in the interior of the pore structure.
Für Aktivmaterialien auf Oxid-Basis oder Phosphat-Basis kommen beispielsweise lösliche Salze oder Alkoholate als Precursoren in Betracht, die nach der Imprägnierung in den Poren präzipitiert werden, beispielsweise durch kontrollierte Hydrolyse oder pH-Änderung. Außerdem können, insbesondere in Verbindung mit temperaturbeständigen Festkörperelektrolyten, auch thermisch zersetzbare Precursoren wie Carbonate oder Nitrate eingesetzt werden. For active materials based on oxide or phosphate, for example, soluble salts or alcoholates are suitable as precursors, which are precipitated in the pores after impregnation, for example by controlled hydrolysis or pH change. In addition, thermally decomposable precursors such as carbonates or nitrates can be used, in particular in conjunction with temperature-resistant solid electrolyte.
Für Anoden-Aktivmaterialien auf Kohlenstoff-Basis können pyrolysierbare organische Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Zucker-Materialien wie Saccharose oder Polysaccharide, Kohlenwasserstoffe oder Polymerlösungen, die durch thermische Zersetzung in Kohlenstoff umgewandelt werden. Für Anoden-Aktivmaterialien auf Silizium-Basis kommen als Precursoren Siliziumverbindungen wie Silane, z.B. SiH4 in Betracht. Die Pyrolyse dieser Kohlenstoff- oder Silizium-Verbindungen erfolgt vorzugsweise unter Inertgas oder unter reduzierender Atmosphäre. For carbon-based anode active materials, pyrolyzable organic compounds can be used, for example, sugar materials such as sucrose or polysaccharides, hydrocarbons or polymer solutions which are converted to carbon by thermal decomposition. For anode-active materials based on silicon come as precursors silicon compounds such as silanes, eg SiH 4 into consideration. The pyrolysis of these carbon or silicon compounds is preferably carried out under inert gas or under reducing atmosphere.
Bei temperaturstabilen Festkörperelektrolyten kommt auch für die Einbringung des Leitfähigkeitszusatzes ein Precursor-Verfahren in Betracht. Dazu wird der Festkörperelektrolyt mit einer kohlenstoffhaltigen Verbindung imprägniert, die anschließend pyrolysiert wird, vorzugsweise unter Inertgas-Atmosphäre, um Kohlenstoff abzuscheiden. Die Vorgehensweise entspricht im Wesentlichen derjenigen, die oben für Anoden-Aktivmaterialien auf Kohlenstoffbasis beschrieben wurde. Als Precursor kommen beispielsweise Zucker wie Saccharose in Betracht, die in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst sind. In the case of temperature-stable solid-state electrolytes, a precursor process is also suitable for introducing the conductivity additive. For this purpose, the solid electrolyte is impregnated with a carbon-containing compound, which is then pyrolyzed, preferably under an inert gas atmosphere, to deposit carbon. The procedure is essentially the same as that described above for carbon-based anode-active materials. Suitable precursors are, for example, sugars such as sucrose, which are dissolved in a suitable solvent.
Der Einsatz von Precursoren ermöglicht eine besonders intensive Haftung zwischen den Aktivmaterial-Partikeln und dem Festkörperelektrolyten, so dass gegebenenfalls das Bindemittel eingespart werden kann. Für die Beladung von Festkörperelektrolyten in Film- oder Folienform ist der Einsatz von Precursor-Verfahren besonders bevorzugt. The use of precursors allows a particularly intense adhesion between the active material particles and the solid electrolyte, so that optionally the binder can be saved. For the loading of solid electrolyte in film or film form, the use of precursor methods is particularly preferred.
Beschichten mit Leitfähigkeitszusatz, dann Beladen mit Aktivmaterial Coating with conductivity additive, then loading with active material
In einer zweiten Ausführungsform wird der Festkörperelektrolyt-Schaum zunächst mit einem Leitfähigkeitszusatz beschichtet, und anschließend wird das Aktivmaterial und optional weiterer Leitfähigkeitszusatz in die Porenstruktur eingebracht. Somit kann auf die ausgedehnten Netzstrukturen des Festkörperelektrolyten eine zusammenhängende elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht werden, was den Vorteil einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit selbst bei vergleichsweise geringem Massenanteil des Leitfähigkeitszusatzes mit sich bringt. In a second embodiment, the solid electrolyte foam is first coated with a conductivity additive, and then the active material and optionally further conductivity additive is introduced into the pore structure. Thus, a continuous electrically conductive layer can be applied to the extended network structures of the solid electrolyte, which brings with it the advantage of a very high electrical conductivity even with a comparatively small mass fraction of the conductivity additive.
Das Verfahren zum Beladen des Festkörperelektrolyt-Schaums kann grundsätzlich ansonsten das gleiche sein wie oben beschrieben, außer dass zuerst der Leitfähigkeitszusatz und dann das Aktivmaterial eingebracht wird. Bei temperaturstabilen Festkörperelektrolyten ist es dabei bevorzugt, ein kohlenstoffbildendes Precursormaterial einzusetzen, beispielsweise auf Basis von Zuckern. Dabei wird der Festkörperelektrolyt mit einer Lösung des Precursors imprägniert und anschließend wird der Precursor pyrolysiert. The method for loading the solid electrolyte foam may basically be otherwise the same as described above, except that first the conductivity additive and then the active material is introduced. In the case of temperature-stable solid-state electrolytes, it is preferred to use a carbon-forming precursor material, for example based on sugars. In this case, the solid electrolyte is impregnated with a solution of the precursor and then the precursor is pyrolyzed.
Elektroden-Konfiguration und Zell-Konfiguration Electrode configuration and cell configuration
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft eine positive oder negative Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die die erfindungsgemäße Verbundelektrodenstruktur einsetzt. Another aspect of the present invention relates to a positive or negative electrode for a lithium ion cell employing the composite electrode structure of the present invention.
Hierzu wird die Verbundelektrodenstruktur als Schicht auf einen Stromableiter aufgebracht, wie in
Die Herstellung der Elektrode kann durch ein Slurry-Verfahren erfolgen, wobei eine Aufschlämmung des beladenen Festkörperelektrolyt-Schaums, optional zusammen mit weiterem Aktivmaterial, Leitfähigkeitszusatz und/oder einem Bindemittel, auf den Stromableiter aufgebracht, getrocknet und gepresst und/oder gesintert wird. Alternativ dazu kann zuerst durch Pressen und/oder Sintern eine Verbundelektrodenstruktur-Schicht hergestellt werden, die dann gegebenenfalls unter Einsatz eines Bindemittels auf den Stromableiter laminiert wird. The preparation of the electrode can be carried out by a slurry process, wherein a slurry of the loaded solid electrolyte foam, optionally together with further active material, conductivity additive and / or a binder is applied to the current conductor, dried and pressed and / or sintered. Alternatively, a composite electrode structure layer may be first prepared by pressing and / or sintering, which is then optionally laminated to the current collector using a binder.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft Lithiumionenzellen, die mindestens eine der erfindungsgemäßen Elektroden umfassen. Another aspect of the present invention relates to lithium-ion cells comprising at least one of the electrodes of the invention.
Bei den Lithiumionenzellen kann es sich um reine Festkörperzellen handeln, die die erfindungsgemäßen Elektroden sowohl als Anode als auch als Kathode umfassen. Alternativ kann die Festkörperzelle eine erfindungsgemäße Elektrode und eine herkömmliche Festkörperelektrode umfassen oder eine erfindungsgemäße Kathode in Verbindung mit einer Anode aus metallischem Lithium. The lithium-ion cells may be pure solid-state cells which comprise the electrodes according to the invention both as an anode and as a cathode. Alternatively, the solid state cell may comprise an electrode according to the invention and a conventional solid state electrode or a cathode according to the invention in conjunction with an anode of metallic lithium.
Zwischen die Anode und die Kathode ist jeweils eine Festkörperelektrolyt-Schicht eingebracht, die elektrisch isolierend ist, aber Leitfähigkeit für Lithiumionen aufweist, und als Separator fungiert. Als Festkörperelektrolyt kommen die gleichen Typen von anorganischen oder polymeren Festkörperelektrolyten in Betracht, die für den geschäumten Festkörperelektrolyten beschrieben wurden. Beispielsweise kann in der Elektrode und in der Separator-Schicht der gleiche Elektrolyt verwendet werden.
Alternativ zu den reinen Festkörperzellen kann die erfindungsgemäße Elektrode auch für Hybridzellen eingesetzt werden, in denen eine Halbzelle einen konventionelle poröse Elektrode und einen Flüssigelektrolyt umfasst, und die andere Halbzelle die erfindungsgemäße Elektrode umfasst. Zwischen die beiden Halbzellen ist wiederum eine Festkörperelektrolytschicht eingebracht, die als Separator fungiert, oder ein konventioneller Polymerseparator, der mit Flüssigelektrolyt getränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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