DE102016223246A1 - Aktivmaterial für eine positive Elektrode einer Batteriezelle, positive Elektrode und Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein positives Aktivmaterial (A) (42) für eine positive Elektrode (22) einer Batteriezelle (2), umfassend eine erste Komponente (A1), welche LiMnOenthält. Dabei weist die erste Komponente (A1) eine Dotierung mit Aluminiumfluorid-Ionen auf, welche einen Teil der Sauerstoff-Ionen Ound einen Teil der Mangan-Ionen Mnder Komponente (A1) ersetzen. Die Erfindung betrifft auch eine positive Elektrode (22) einer Batteriezelle (2), welche ein erfindungsgemäßes positives Aktivmaterial (A) (42) umfasst, sowie eine Batteriezelle (2), welche mindestens eine erfindungsgemäße positive Elektrode (22) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Aktivmaterial (A) für eine positive Elektrode einer Batteriezelle, welches eine erste Komponente (A1) umfasst, die Li2MnO3 enthält, welches mit Aluminiumfluorid-Ionen dotiert ist. Die Erfindung betrifft auch eine positive Elektrode einer Batteriezelle, die ein erfindungsgemäßes Aktivmaterial (A) umfasst, sowie eine Batteriezelle, die mindestens eine erfindungsgemäße positive Elektrode umfasst.
  • Stand der Technik
  • Die Speicherung elektrischer Energie hat in den vergangenen Jahrzehnten eine immer größere Bedeutung erlangt. Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
  • In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
  • Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode auf. Die positive sowie die negative Elektrode umfassen je einen Stromableiter, auf den ein positives bzw. negatives Aktivmaterial aufgebracht ist. Das positive und negative Aktivmaterial ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass es zur reversiblen Einlagerung und Abgabe von Lithium-Ionen fähig ist.
  • Bei dem Aktivmaterial für die negative Elektrode handelt es sich beispielsweise um amorphes Silizium, welches Interkalationsverbindungen mit Lithium-Atomen bilden kann. Aber auch Kohlenstoffverbindungen, wie z.B. Graphit, sind als Aktivmaterial für negative Elektroden verbreitet. In das Aktivmaterial der negativen Elektrode sind Lithium-Atome eingelagert.
  • Als Aktivmaterial für die positive Elektrode wird in der Regel ein Lithium-haltiges Metalloxid oder ein Lithium-haltiges Metallphosphat verwendet. Insbesondere in Anwendungen, bei denen eine hohe Energiedichte notwendig ist, werden sogenannte Hochenergie-Materialien wie HE(Hochenergie)-NCM(Nickel-Cobalt-Mangan)-Elektroden (z.B. LiMO2 : Li2MnO3 mit M = Ni, Co, Mn) verwendet. Eine Batterie, die eine solche HE-NCM-Elektrode verwendet, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 208 321 A1 bekannt.
  • Beim Betrieb der Batteriezelle, also bei einem Entladevorgang, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Innerhalb der Batteriezelle wandern Lithium-Ionen bei einem Entladevorgang von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird. Bei einem Ladevorgang der Batteriezelle wandern die Lithium-Ionen von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode. Dabei lagern die Lithium-Ionen wieder in das Aktivmaterial der negativen Elektrode reversibel ein, was auch als Lithiierung bezeichnet wird.
  • Die Elektroden der Batteriezelle sind bevorzugt folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die negative Elektrode von der positiven Elektrode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden. Ein solcher Elektrodenwickel wird auch als Jelly-Roll bezeichnet. Die Elektroden können auch zu einem Elektrodenstapel übereinander geschichtet sein.
  • Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels oder des Elektrodenstapels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel einen oder mehrere Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel. Die Elektroden und der Separator sind von einer in der Regel flüssigen Elektrolytzusammensetzung umgeben. Die Elektrolytzusammensetzung ist für die Lithium-Ionen leitfähig und ermöglicht den Transport der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden.
  • US 2014/0141331 A1 beschreibt ein aktives schichtweise aufgebautes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, das eine Lithium im Überschuss enthaltende Lithiummetallkomposit-Komponente, enthaltend Li2MnO3, umfasst. Das Kathodenmaterial ist mit einer Fluor-Komponente wie Lithiumfluorid dotiert. Zur Herstellung der Lithiummetallkomposit-Komponente werden eine Übergangsmetall-Vorläuferverbindung, eine Lithiumquelle wie Li2CO3 oder LiOH und eine Fluor-Komponente homogen gemischt und erhitzt.
  • A.K. Varanasi et al. in „Electrochemical potentials of layered oxide and olivine phosphate with aluminum substitution: A first principles study“, Bulletin of Materials Science, Volume 36, Issue 7, Seiten 1331 bis 1337 untersuchen die Wirkung von Aluminium-Substituenten auf das elektrochemische Potential von LiCoO2, LiFePO4 und LiCoPO4.
  • Herkömmliche HE-NCM zeichnen sich dadurch aus, dass sie zu Beginn der Lebenszeit der Zelle hohe Zellspannungen liefern, welche jedoch im Laufe der Lebenszeit deutlichen Verlusten unterliegen (sog. Voltage Fade). Gleiches gilt für die Kapazität der Zelle (sog. Capacity Fade). Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, ein Aktivmaterial für eine positive Elektrode bereit zu stellen, welches auch nach langer Lebenszeit der Zelle eine hohe Zellspannung und Kapazität aufweist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Aktivmaterial (A) für eine positive Elektrode einer Batteriezelle, insbesondere für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, vorgeschlagen, welches eine erste Komponente (A1) umfasst, die ein Metalloxid der Formel (I) enthält: Li2MnO3 (I)
  • Erfindungsgemäß weist die erste Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) eine Dotierung mit Alumiumfluorid-Ionen auf.
  • Durch die Dotierung wird vorzugsweise ein Anteil von 0,1 Mol-% bis 15 Mol-% der Sauerstoff-Ionen O2- des Metalloxids Li2MnO3 der ersten Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode durch die Fluorid-Ionen F- ersetzt. Insbesondere bevorzugt wird ein Anteil von 1 Mol-% bis 10 Mol-% der Sauerstoff-Ionen O2- des Li2MnO3 durch Fluorid-Ionen F- ersetzt.
  • Weiterhin wird durch die Dotierung vorzugsweise ein Anteil von 0,1 Mol-% bis 15 Mol-% der Mangan-Ionen Mn4+ des Metalloxids Li2MnO3 der ersten Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode durch die Aluminium-Ionen Al3+ ersetzt um einen Teil der fehlenden negativen Ladungen durch die Dotierung mit den Fluorid-Ionen F- zu kompensieren. Insbesondere bevorzugt wird ein Anteil von 1 Mol-% bis 10 Mol-% der Mangan-Ionen Mn4+ des Li2MnO3 durch Aluminium-Ionen Al3+ ersetzt. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Dotieratome Al:F 1:3.
  • Darüber hinaus erfolgt eine Ladungskompensierung durch Reduktion von Mangan-Ionen Mn4+ zu Mangan-Ionen Mn3+.
  • Die erfindungsgemäße Komponente (A1) umfasst somit mindestens eine Verbindung, die durch die nachfolgende Formel (II) wiedergegeben werden kann: Li2Mn1-yAlyO3-3yF3y (II) wobei 0,15 > y > 0 ist. Bevorzugt ist 0,1 ≥ y > 0, insbesondere 0,05 ≥ y > 0.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Komponente (A1) zusätzlich mit Natrium-Ionen dotiert, wobei ein Teil der Lithium-Ionen der Komponente (A1) durch Natrium-Ionen ersetzt werden. Dadurch wird die Ratenfähigkeit des Aktivmaterials (A) positiv beeinflusst. Die vorteilhafte Ausgestaltung umfasst daher eine Komponente (A1) der allgemeinen Formel (III) : Li2-zNazMn1-yAlyO3-3yF3y (III) wobei y die zuvor definierte Bedeutung hat und 0,2 > z ≥ 0 ist. Bevorzugt ist 0,1 ≥ z ≥ 0,05.
  • Vorzugsweise umfasst das Aktivmaterial (A) eine zweite Komponente (A2), welche LiMO2 enthält. Dabei ist M ein Übergangsmetall, vorzugsweise ausgewählt aus den Elementen Nickel, Cobalt und Mangan. Das Aktivmaterial (A), welches die Komponenten (A1) und (A2) umfasst, ermöglicht eine verhältnismäßig große Kapazität der Batteriezelle verbunden mit einer verhältnismäßig hohen Spannung.
  • Allgemein entsteht durch die Dotierung der ersten, das Metalloxid Li2MnO3 enthaltenden Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode mit den Aluminiumfluorid-Ionen ein Material gemäß der Formel (III).
  • Die zunächst inaktive erste Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode, die das Metalloxid Li2MnO3 enthält, wird während des Formierungszyklus der Batteriezelle unter irreversibler Abspaltung von Sauerstoff aktiviert. Die Formierung der Batteriezelle findet dabei statt, indem eine definierte Spannung erstmalig an die Batteriezelle angelegt wird, und wobei erstmalig ein definierter Strom durch die Batteriezelle fließt. Ein solches Verfahren zur Formierung einer Batteriezelle, bei dem Formierungsströme zu einer Aktivierung elektrochemischer Prozesse in die Batteriezelle eingeprägt werden, ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2012 214 119 A1 bekannt.
  • Die Dotierung der ersten, das Metalloxid Li2MnO3 enthaltenden Komponente (A1) findet während der Synthese und vor der besagten Formierung und Aktivierung der Batteriezelle statt.
  • Bei der Dotierung werden anteilig Sauerstoff-Ionen O2- des Metalloxids Li2MnO3 durch Fluorid-Ionen F- ersetzt, Mangan-Ionen Mn4+ des Metalloxids Li2MnO3 durch Aluminium-Ionen Al3+ ersetzt und Mangan-Ionen Mn4+ zu Mangan-Ionen Mn3+ reduziert. Mangan-Ionen Mn3+ können im Gegensatz zu Mangan-Ionen Mn4+ durch Oxidation an der Ladungskompensierung bei Delithiierung teilnehmen und stellen so neue Redoxzentren dar. Aluminium-Ionen Al3+ besitzen eine stabilisierende Wirkung auf die Struktur und Spannungslage des Materials und weisen einen ähnlichen lonenradius wie Mangan-Ionen Mn4+ auf.
  • Dadurch wird verhindert, dass Sauerstoff von Beginn an zur Ladungskompensierung und damit zur irreversiblen Abspaltung bei der Aktivierung gezwungen wird, wodurch die Struktur und die Kapazität des Materials stabilisiert werden, so dass die Stabilität der Spannung positiv beeinflusst wird.
  • Durch die vorgeschlagene Dotierung der ersten, Li2MnO3 enthaltenden Komponente (A1), insbesondere durch die Redoxaktivität der Mangan-Ionen Mn3+, wird der irreversible Sauerstoffverlust reduziert. Da so eine Reduktion der Fehlstellen im Material erreicht wird, reduziert sich auch die Destabilisierung der Materialstruktur durch Umlagerungen und Migrationen von Übergangmetallen im positiven Aktivmaterial. Dies führt zu einer Stabilisierung der Kapazität und Spannungslage, da das Aktivmaterial weniger Veränderungen unterliegt.
  • Weiterhin hat die erfindungsgemäße Dotierung einen positiven Effekt auf die Ratenfähigkeit. Die Lithium-reiche Phase weist weiterhin ein Isolatorverhalten auf, jedoch gibt es keine Anzeichen für eine Phasenseparation wie im reinen Li2MnO3, wodurch sich keine isolierende Schicht im Partikel bildet.
  • Durch gezielte Dotierung nur der ersten, Li2MnO3 enthaltenden Komponente (A1), wird eine unnötige Dotierung der die NCM-Verbindung LiMO2 enthaltenden Komponente (A2) vermieden. Da die zweite, die NCM-Verbindung LiMO2 enthaltende Komponente (A2) bereits stabil zyklierbar ist, würde ein Einbringen von Fluorid-Ionen und Aluminium-Ionen in die zweite, die NCM-Verbindung LiMO2 enthaltende Komponente (A2) eine Verunreinigung bedeuten, die die Gesamtperformance des Materials reduziert.
  • Mit der Dotierung kann es zu einem Absinken der Anfangsspannung kommen, das notwendigerweise mit der Redoxaktivität der Mangan-Ionen Mn3+ von ca. 3 V einhergeht (siehe 3). Obwohl die Durchschnittsspannung des erfindungsgemäß dotierten Materials im Vergleich zum nicht gealterten Ausgangsmaterial ca. 4% geringer ist, erhöht sich die gravimetrische theoretische Kapazität aufgrund des geringen Gewichtes der Dotierelemente um bis zu 2%, in Abhängigkeit von der Dotiermenge, so dass eine bis zu 11% erhöhte Energiedichte im Vergleich zum undotierten gealterten Material, das schon nach wenigen Zyklen einen ausgeprägteren Verlust der Zellspannung aufweist (siehe 3), erzielt wird.
  • Im Gegensatz zu einer Beschichtung mit Alumiumfluorid wird bei einer Dotierung mit Aluminiumfluorid-Ionen der beschriebene positive Effekt im gesamten Material erreicht und ist nicht nur auf die Oberfläche beschränkt.
  • Allgemein entsteht durch die besagte Dotierung ein Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode mit einer ersten, das Aluminiumfluorid-dotierte Metalloxid Li2MnO3 enthaltenden Komponente (A1) und mit einer zweiten, die NCM-Verbindung LiMO2 enthaltenden Komponente (A2) gemäß folgender Formel (IV): a(LiMO2) : 1-a(Li2-zNazMn1-yAlyO3-3yF3y) (IV) wobei M, z und y die zuvor definierten Bedeutungen haben und 1 > x ≥ 0 ist. Bevorzugt ist 0,8 > a > 0,2, insbesondere 0,7 ≥ a ≥ 0,4.
  • Es wird auch eine positive Elektrode einer Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein erfindungsgemäßes Aktivmaterial (A) umfasst.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf dem Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode eine Beschichtung aufgebracht, welche AlF3 enthält.
  • Eine Beschichtung des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode mit Aluminiumfluorid wirkt sich positiv auf die Kapazität der Batteriezelle aus.
  • Insbesondere verhindert oder reduziert die besagte Beschichtung einen Kontakt des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode mit einer in der Batteriezelle enthaltenen Elektrolytzusammensetzung. Damit wird ein Auswaschen von Übergangsmetallen aus dem Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode und ein Wandern von ausgewaschenen Übergangsmetallen zu der negativen Elektrode der Batteriezelle ebenfalls verhindert oder reduziert.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auf dem Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode eine Beschichtung aufgebracht, welche Kohlenstoff enthält. Eine derartige Beschichtung gewährleistet eine homogene elektronische Kontaktierung der positiven Elektrode.
  • Die besagte, AlF3 enthaltende Beschichtung sowie die besagte Kohlenstoff enthaltende Beschichtung können auch gemeinsam auf dem Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode aufgebracht sein, insbesondere übereinander, also schichtweise.
  • Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße positive Elektrode umfasst.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Werkzeug oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Werkzeugen sind dabei insbesondere Heimwerkzeuge sowie Gartenwerkzeuge zu verstehen. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch den teilweisen Ersatz der Sauerstoff-Ionen O2- durch Fluorid-Ionen F- und den teilweisen Ersatz der Mangan-Ionen Mn4+ durch die Aluminium-Ionen Al3+ in dem Metalloxid Li2MnO3 der ersten Komponente (A1) des Aktivmaterials (A) der positiven Elektrode wird ein Aktivmaterial (A) bereitgestellt, welches bei der Verwendung in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle über einen verhältnismäßig großen Zeitraum und über hohe Zyklenzahlen eine stabile Spannung gewährleistet. Ebenso bleiben die Struktur und die Kapazität der Lithium-Ionen-Batteriezelle über einen verhältnismäßig großen Zeitraum und über hohe Zyklenzahlen stabil. Spannungsverlust sowie Kapazitätsverlust sind deutlich vermindert. Des Weiteren hat die erfindungsgemäße Dotierung einen positiven Effekt auf die Ratenfähigkeit der Elektrode.
  • Damit steigt die Lebensdauer der Batterie, wodurch eine kommerzielle Nutzung, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien mit einer NCM-Verbindung in dem Aktivmaterial (A) der positiven Elektrode, möglich wird.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
    • 2 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der Batteriezelle aus 1 und
    • 3 einen Vergleich von Redoxpotentialen verschiedener Elektrodenmaterialien.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist eine Batteriezelle 2 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
  • Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden. Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an einer Deckfläche des prismatischen Zellengehäuses 3 angeordnet.
  • Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine negativen Elektrode 21 und eine positive Elektrode 22, aufweist. Die negative Elektrode 21 und die positive Elektrode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators 18 zu dem Elektrodenwickel gewickelt. Es ist auch denkbar, dass mehrere Elektrodenwickel in dem Zellengehäuse 3 vorgesehen sind. Anstelle des Elektrodenwickels kann auch beispielsweise ein Elektrodenstapel vorgesehen sein.
  • Die negative Elektrode 21 umfasst ein negatives Aktivmaterial 41, welches folienartig ausgeführt ist. Das negative Aktivmaterial 41 weist als Grundstoff Silizium oder eine Silizium enthaltende Legierung auf.
  • Die negative Elektrode 21 umfasst ferner einen Stromableiter 31, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Das negative Aktivmaterial 41 und der Stromableiter 31 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Der Stromableiter 31 der negativen Elektrode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der negativen Elektrode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • Bei der positiven Elektrode 22 handelt es sich vorliegend um eine HE(Hochenergie)-NCM(Nickel-Cobalt-Mangan)-Elektrode. Die positive Elektrode 22 umfasst ein positives Aktivmaterial (A) 42, welches in Partikelform vorliegt. Zwischen den Partikeln des positiven Aktivmaterials (A) 42 sind Zusatzstoffe, insbesondere Leitruß und Binder, angeordnet. Das positive Aktivmaterial (A) 42 und die besagten Zusatzstoffe bilden dabei einen Verbund, welcher folienartig ausgeführt ist.
  • Das positive Aktivmaterial (A) 42 weist eine erste Komponente (A1) auf, die Li2MnO3 enthält. Die erste Komponente des positiven Aktivmaterials (A) 42 weist ferner eine Dotierung mit Alumiumfluorid-Ionen auf, welche wenigstens einen Teil der Sauerstoff-Ionen O2- und der Mangan-Ionen Mn4+ der Komponente Li2MnO3 ersetzen. Die erste Komponente (A1) kann zusätzlich mit Natrium-Ionen dotiert sein, sodass ein Teil der Lithium-Ionen durch Natrium-Ionen ersetzt ist.
  • Das positive Aktivmaterial (A) 42 weist ferner eine zweite Komponente (A2) auf, die eine NCM-Verbindung, nämlich LMO2, enthält. M ist dabei ein Übergangsmetall, insbesondere ausgewählt aus Nickel, Cobalt und/oder Mangan. Weitere Bestandteile des positiven Aktivmaterials (A) 42 sind insbesondere PVDF-Binder, Graphit und Ruß.
  • Die positive Elektrode 22 umfasst ferner einen Stromableiter 32, welcher ebenfalls folienartig ausgebildet ist. Der Verbund aus dem positiven Aktivmaterial (A) 42 und den Zusatzstoffen und der Stromableiter 32 sind flächig aneinander gelegt und miteinander verbunden. Der Stromableiter 32 der positiven Elektrode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der positiven Elektrode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • Die negative Elektrode 21 und die positive Elektrode 22 sind durch den Separator 18 voneinander getrennt. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgebildet. Der Separator 18 ist elektronisch isolierend ausgebildet, aber ionisch leitfähig, also für Lithium-Ionen durchlässig.
  • Das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 ist mit einer flüssigen aprotischen Elektrolytzusammensetzung 15, oder mit einem Polymerelektrolyt, gefüllt. Die Elektrolytzusammensetzung 15 umgibt dabei die negativen Elektrode 21, die positive Elektrode 22 und den Separator 18. Auch die Elektrolytzusammensetzung 15 ist ionisch leitfähig und umfasst beispielsweise ein Gemisch aus mindestens einem zyklischen Carbonat (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)) und mindestens einem linearen Carbonat (z.B. Dimethylencarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Methylethylcarbonat (MEC)) als Lösungsmittel, sowie einem Lithiumsalz (z.B. LiPF6, LiBF4) als Additiv.
  • In 2 ist eine Abwandlung der Batteriezelle 2 aus 1 schematisch dargestellt. Die abgewandelte Batteriezelle 2 umfasst ebenfalls ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Die Batteriezelle 2 ähnelt weitgehend der Batteriezelle 2 aus 1. Im Folgenden wird daher insbesondere auf Unterschiede zu der Batteriezelle 2 aus 1 eingegangen.
  • Auf die Partikel des positiven Aktivmaterials (A) 42 ist eine Beschichtung 52 aufgebracht. Die Partikel des positiven Aktivmaterials (A) 42 sind von der Beschichtung 52 umgeben. Die Beschichtung 52 umhüllt somit die Partikel des positiven Aktivmaterials (A) 42.
  • Die Beschichtung 52 enthält vorliegend Aluminiumfluorid, also AlF3. Die Beschichtung 52 verhindert oder reduziert einen Kontakt des positiven Aktivmaterials (A) 42 mit der in dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 enthaltenen Elektrolytzusammensetzung 15. Damit ist ein Auswaschen von Übergangsmetallen aus dem positiven Aktivmaterial (A) 42 und ein Wandern von ausgewaschenen Übergangsmetallen zu der negativen Elektrode 21 der Batteriezelle 2 ebenfalls verhindert oder reduziert.
  • Die Beschichtung 52 kann auch Kohlenstoff enthalten. Eine derartige Beschichtung 52 gewährleistet eine homogene elektronische Kontaktierung der positiven Elektrode 22. Die Beschichtung 52 kann dabei insbesondere mehrschichtig aufgebaut sein und dabei beispielsweise eine Schicht aus Aluminiumfluorid, also AlF3, und eine Schicht aus Kohlenstoff enthalten.
  • In 3 ist auf der Ordinate ein Redoxpotential in Volt gegen einen Lithiumanteil x im LixMnO3 einer ersten Komponente (A1) auf der Abszisse aufgetragen. Berechnete Durchschnittsspannungen einer Li2MnO3-Komponente (A1) sind für ein nicht gealtertes Ausgangsmaterial (Kreuze), ein gealtertes Material (Rauten) und ein erfindungsgemäß mit Aluminiumfluorid-Ionen dotiertes Material (Kreise) gegenübergestellt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • US 2014/0141331 A1 [0010]
    • DE 102012214119 A1 [0022]

Claims (10)

  1. Positives Aktivmaterial (A) (42) für eine positive Elektrode (22) einer Batteriezelle (2), umfassend eine erste Komponente (A1), welche eine Verbindung der allgemeine Formel (III) umfasst: Li2-zNazMn1-yAlyO3-3yF3y (III) wobei 0,15 > y > 0; und 0,2 > z ≥ 0 ist.
  2. Positives Aktivmaterial (A) (42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0,1 ≥ y > 0, insbesondere 0,05 ≥ y > 0 ist.
  3. Positives Aktivmaterial (A) (42) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0,1 ≥ z ≥ 0,05 ist.
  4. Positives Aktivmaterial (A) (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Aktivmaterial (A) (42) eine zweite Komponente (A2) umfasst, welche LiMO2 enthält, wobei M ein Übergangsmetall ausgewählt aus den Elementen Nickel, Cobalt und/oder Mangan ist.
  5. Positives Aktivmaterial (A) (42) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Aktivmaterial (A) (42) eine Verbindung der Formel (IV) umfasst: a(LiMO2) : 1-a(Li2-zNazMn1-yAlyO3-3yF3y) (IV) wobei 1 > a ≥ 0; 0,15 > y > 0 und 0,2 > z ≥ 0 ist.
  6. Positive Elektrode (22) einer Batteriezelle (2), umfassend ein positives Aktivmaterial (A) (42) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  7. Positive Elektrode (22) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem positiven Aktivmaterial (A) (42) eine Beschichtung (52) aufgebracht ist, welche AlF3 enthält.
  8. Positive Elektrode (22) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem positiven Aktivmaterial (A) (42) eine Beschichtung (52) aufgebracht ist, welche Kohlenstoff enthält.
  9. Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine positive Elektrode (22) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
  10. Verwendung einer Batteriezelle (2) nach Anspruch 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einem Werkzeug oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt.
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