DE102017127614A1 - Beschichtete negative Lithium-Metall-Elektrode - Google Patents

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Abstract

Ein Beispiel einer negativen Elektrode umfasst ein aktives Lithium-Metall-Material und eine Beschichtung, die auf dem aktiven Lithium-Metall-Material aufgebracht wurde. Die Beschichtung besteht aus einem der Folgenden: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, gebildet aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) einem Homopolymer, gebildet aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) einer Kombination von zwei beliebigen oder mehreren von (i), (ii) und (iii).

Description

  • EINLEITUNG
  • Sekundäre oder wiederaufladbare Lithium-Batterien werden häufig in vielen stationären und tragbaren Geräten verwendet, denen man z. B. in der Unterhaltungselektronik, der Automobil- sowie Luftfahrtindustrie begegnet. Die Klasse der Lithium-Batterien erfreut sich aus verschiedenen Gründen immer größerer Beliebtheit, einschließlich einer relativ hohen Energiedichte, eines allgemeinen Ausbleibens eines Memory-Effekts im Vergleich zu anderen wiederaufladbaren Batteriearten, eines relativ geringen Innenwiderstands und einer niedrigen Selbstentladungsrate bei Nichtgebrauch. Die Fähigkeit von Lithium-Batterien, über ihre Lebensdauer wiederholte Power-Cycles durchführen zu können, macht sie zu einer attraktiven und zuverlässigen Energiequelle.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Beispiel einer negativen Elektrode beinhaltet eine aktives Lithium-Metall-Material und eine Beschichtung, die auf dem aktiven Lithium-Metall-Material abgeschieden ist. Die Beschichtung besteht aus einem von: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, gebildet aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) einem Homopolymer, gebildet aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) einer Kombination von zwei oder mehreren von (i), (ii) und (iii).
  • Die negative Elektrode mit der Beschichtung auf dem aktiven Lithium-Metall-Material kann in eine Lithium-basierte Batterie integriert sein. Die Lithium-basierte Batterie beinhaltet auch eine positive Elektrode und einen mikroporösen Polymerseparator, der mit einer Elektrolytlösung getränkt ist. Der poröse Polymerseparator ist zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet.
  • In einem Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer negativen Elektrode, wird eine Lithium-Metall-Elektrode bereitgestellt. Eine Beschichtungs-Vorstufe wird auf die Lithium-Metall-Elektrode aufgebracht. Die Beschichtungs-Vorstufe besteht aus einem von:
    • (a) einer ionischen Flüssigkeit, die ein Kation umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon, worin das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe hat; und ein Anion, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon; oder (b) Vinylethylencarbonat;
    • oder (c) Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (d) einer Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c). Dann wird die Beschichtungs-Vorstufe direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode polymerisiert, um eine Beschichtung auf der Lithium-Metall-Elektrode zu bilden.
  • Figurenliste
  • Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen, hervorgehen. Der Kürze halber können Bezugszahlen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Kommunikation mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben sein oder auch nicht.
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels der hierin offenbarten negativen Elektrode, umfassend ein Beispiel der abgeschiedenen Beschichtung auf dem aktiven Lithium-Metall-Material, das ein Stromabnehmer ist;
    • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Lithium-Schwefel-Batterie, umfassend ein Beispiel der hier offenbarten negativen Elektrode;
    • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer Lithium-Ionen-Batterie, umfassend ein Beispiel der hierin offenbarten negativen Elektrode;
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer Lithium-Metall-Batterie umfassend ein Beispiel der hierin offenbarten negativen Elektrode; und
    • 5ist ein Diagramm, das die Kapazitätsretention (Y-Achse, mit „E“ gekennzeichnet) gegen die Zyklenzahl (X-Achse, mit „#“ gekennzeichnet) einer exemplarischen Batterie darstellt, umfassend ein Beispiel der hierin offenbarten negativen Elektrode und einer Vergleichsbatterie.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Lithium-Batterien arbeiten im Allgemeinen durch reversibles Durchleiten von Lithium-Ionen zwischen einer negativen Elektrode (manchmal als Anode bezeichnet) und einer positiven Elektrode (manchmal als Kathode bezeichnet). Die negativen und positiven Elektroden sind an den gegenüberliegenden Seiten eines porösen Polymerseparators angeordnet, der mit einer für die Leitung der Lithiumionen geeigneten Elektrolytlösung getränkt ist. Während des Ladevorgangs werden Lithiumionen in die negative Elektrode eingeführt/eingefügt (z. B. interkaliert oder legiert) und beim Entladen werden Lithiumionen aus der negativen Elektrode extrahiert. Jede der Elektroden ist auch mit den zugehörigen Stromabnehmern verbunden, die an einen unterbrechbaren externen Stromkreis, durch den elektrischer Strom zwischen der negativen und der positiven Elektrode fließen kann, angeschlossen sind. Beispiele für Lithium-basierte Batterien umfassen eine Lithium-Schwefel-Batterie (d. h. umfassen eine Schwefel-basierte positive Elektrode zusammen mit einer negativen Lithium-Metall-Elektrode), eine Lithium-Ionen-Batterie (d. h. umfassen eine Lithium-freie positive Elektrode zusammen mit einer negativen Lithium-Metall-Elektrode) und eine Lithium-Metall-Batterie (d. h. sie umfassen eine Lithium-basierte positive Elektrode und eine negative Lithium-Metall-Elektrode).
  • Lithiummetall kann als das aktive Material in einer negativen Elektrode verwendet werden. Lithiummetall hat eine hohe Energiedichte. Jedoch neigen Lithium-MetallElektroden während oder nach dem Zellzyklus zur Bildung von Dendriten. Dendrite sind dünne, leitende Filamente (die eine baumartige Struktur aufweisen können) und aus dem migrierenden Lithiummetall gebildet werden. Dendrite sind dünne, leitfähige Filamente, die die Zelle kurzschließen können, und die Toleranz der Zelle bei unsachgemäßer Verwendung und die Gesamtlebensdauer der Zelle reduzieren.
  • Polymerische Beschichtungen können einen Stapeldruck auf Lithium-MetallElektroden ausüben, um eher abgestumpfte und dicke Lithiumablagerungen anstatt scharfe Dendrite herzustellen. Die meisten Polymere müssen jedoch zum Beschichten in einem Lösungsmittel gelöst werden, und einige Lösungsmittel, die das Polymer auflösen können, sind auch nicht kompatibel mit Lithiummetall. Lösungsmittel, die mit Lithiummetall nicht kompatibel sind, umfassen Wasser, Acetonitril, N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylformamid (DMF) und dergleichen. Wenn diese Lösungsmittel verwendet werden, um das Lithium mit dem Polymer zu beschichten, können sie das Lithiummetall sofort korrodieren. Alternative Verfahren, wie Vakuumabscheidung von Lithium auf einem gebildeten Polymerfilm, können teuer sein.
  • In der hierin offenbarten negativen Elektrode 10 (siehe 1) hat das aktive Lithium-Metall-Material 12 eine darauf abgeschiedene Beschichtung 14. Die Beschichtung 14 besteht aus einem von: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, hergestellt aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) einem Homopolymer, hergestellt aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) einer Kombination von (i), (ii) und (iii). 1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel der negativen Elektrode 10, umfassend das aktive Lithium-Metall-Material/die Elektrode 12, die Beschichtung 14 und einen negativseitigen Stromabnehmer 16.
  • Das hierin offenbarte Verfahren umfasst das Aufbringen einer Beschichtungs-Vorstufe auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 und Polymerisieren der Beschichtungs-Vorstufe direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, wodurch die Beschichtung 14 auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 gebildet wird. Somit verwendet das Verfahren keinen kostspieligen Vakuumaufdampfungsprozess. Das Verfahren verwendet auch kein Lösungsmittel, das mit der Lithium-Metall-Elektrode 12 inkompatibel ist. In einigen Beispielen wird die Beschichtungs-Vorstufe ohne Lösungsmittel auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht. Dadurch kann das aktive Lithium-Metall-Material 12 frei oder im Wesentlichen frei von Korrosion infolge der Exposition gegenüber einem Lösungsmittel sein. In einem anderen Beispiel kann die Korrosion des aktiven Lithium-Metall-Materials 12 aufgrund der Exposition gegenüber Lösungsmittel verringert sein.
  • Das Verfahren zur Bildung der negativen Elektrode 10 umfasst das Bereitstellen einer Lithium-Metall-Elektrode 12. In einem Beispiel ist die Lithium-Metall-Elektrode 12 eine Lithiumfolie. Die Lithium-Metall-Elektrode 12 kann eine Dicke im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 200 µm aufweisen. In einem anderen Beispiel liegt die Dicke der Lithium-Metall-Elektrode 12 im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 100 µm.
  • Das Verfahren beinhaltet auch das Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe auf die Lithium-Metall-Elektrode 12. Das Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe kann durch tropfenweises Gießen der Beschichtungs-Vorstufe auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 erreicht werden. In einem Beispiel kann die Beschichtungs-Vorstufe eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur sein (z. B. einem Temperaturbereich von etwa 18 °C bis 22 °C). In diesen Beispielen kann das Auftragen der Beschichtungs-Vorstufe ohne ein Lösungsmittel erreicht werden. Somit, wie oben erwähnt, kann das aktive Lithium-Metall-Material 12 mit der Beschichtung 14 darauf frei oder im Wesentlichen frei von Korrosion sein, da zum Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe keine inkompatiblen Lösungsmittel (z. B. Wasser, Acetonitril, NMP, DMSO, DMF, usw.) verwendet werden, die das aktive Lithium-Metall-Material 12 sofort korrodieren können.
  • Die Beschichtungs-Vorstufe kann aus Folgendem bestehen: (a) einer ionischen Flüssigkeit; oder (b) Vinylethylencarbonat; oder (c) Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (d) einer Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c).
  • In einigen Beispielen umfasst die Beschichtungs-Vorstufe (a), die ionische Flüssigkeit. Es kann angenommen werden, dass die Beschichtungs-Vorstufe (a) umfasst, wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (a) besteht, oder wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (d) besteht (d. h. einer Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c)). In diesen Beispielen kann die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein Anion umfassen. Das Kation kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon, wobei das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe trägt. Einige spezifische Beispiele des Kations umfassen 1-Allyl-1-methylpyrrolidinium, 1-Allyl-1-methylpiperidinium und Kombinationen davon. Das Anion kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon. In einigen Beispielen besteht die ionische Flüssigkeit aus dem Kation und dem Anion.
  • In einigen anderen Beispielen umfasst die Beschichtungs-Vorstufe (b), Vinylethylencarbonat. Es kann angenommen werden, dass die Beschichtungs-Vorstufe (b) umfasst, wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (b) besteht, oder wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (d) besteht (d. h. einer Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c)).
  • In noch anderen Beispielen umfasst die Beschichtungs-Vorstufe (c), Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat. Es kann angenommen werden, dass die Beschichtungs-Vorstufe (c) umfasst, wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (c) besteht, oder wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (d) besteht (d. h., einer Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c)).
  • In noch anderen Beispielen, besteht die Beschichtungs-Vorstufe aus (d), der Kombination von zwei oder mehreren von (a), (b) und (c). In diesen Beispielen kann die Beschichtungs-Vorstufe aus (a) und (b); (a) und (c); (b) und (c); oder (a), (b) und (c) bestehen. Bei einigen dieser Beispiele, kann die Kombination aus zwei beliebigen oder mehreren von (a), (b) und (c) gemischt werden, um eine einzige Schicht zu bilden, in welcher die jeweiligen Polymere vorhanden sind. In anderen dieser Beispiele kann die Kombination separat aufgebracht werden, in separaten, aufeinander folgenden Schichten aus beliebigen der zwei oder mehreren von (a), (b) und (c), um separate Schichten des entsprechenden Polymermaterials zu bilden (z. B. eine Schicht aus (a) zur Bildung von Polymer (i), gefolgt von einer Schicht (b) zur Bildung von Polymer (ii), oder einer Schicht aus (a) zur Bildung von Polymer (i), gefolgt von einer Schicht (c) zur Bildung von Polymer (iii) usw.). In noch anderen dieser Beispiele kann die Kombination in aufeinander folgenden Schichten aufgetragen werden, aus zwei beliebigen oder mehr aus (a), (b) und (c), wobei mindestens eine Schicht aus einer Mischung aus beliebigen zwei oder mehreren von (a), (b) und (c) besteht (z. B. eine Schicht aus (a) und (c), gefolgt von einer Schicht (b), oder einer Schicht aus (a) und (b), gefolgt von einer Schicht von (a), (b) und (c) usw.). Wenn die Kombination oder eine Schicht der Kombination als Mischung von zwei beliebigen oder mehreren aus (a), (b) und (c) aufgetragen wird, geht man davon aus, dass die entsprechenden Polymere jeweils separat eine Selbstpolymerisation eingehen und verschiedene Polymere bilden (d. h., Polymere (i), (ii) und/oder (iii)). Man geht ebenfalls davon aus, dass in einigen Fällen beliebige zwei oder mehr aus (a), (b) und (c) auch copolymerisieren können und Copolymere bilden, zusätzlich zu den verschiedenen Polymeren (d. h. den Polymeren (i), (ii) und/oder (iii)).
  • Nachdem die Beschichtungs-Vorstufe auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgetragen wurde, umfasst das Verfahren des Weiteren die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe, direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, um die Beschichtung 14 auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 zu bilden. In einigen Beispielen besteht die Beschichtung 14 aus einem Polymer, das durch Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe gebildet wurde. Die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe kann durch Exposition der Lithium-Metall-Elektrode 12 mit der Beschichtungs-Vorstufe gegenüber Ultraviolett (UV)-Licht, einer Wärmebehandlung oder einer Plasmabehandlung erreicht werden.
  • Die Exposition gegenüber UV-Licht kann mithilfe einer UV-Lampe oder einer UV-Licht-emittierenden Diode (UV-LED) erreicht werden. In einem Beispiel hat das UV-Licht, gegenüber dem die Lithium-Metall-Elektrode 12 mit der Beschichtungs-Vorstufe darauf ausgesetzt wird, eine Wellenlänge im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 400 nm.
  • In den Beispielen des Verfahrens, bei denen die Beschichtungs-Vorstufe durch Exposition der Lithium-Metall-Elektrode 12, mit der Beschichtungs-Vorstufe darauf, gegenüber UV-Licht polymerisiert wird, kann das Verfahren weiterhin das Aufbringen eines Ultraviolett (UV)-Initiators vor der Polymerisation auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 umfassen. Der UV-Initiator kann mit der Beschichtungs-Vorstufe gemischt werden und auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 in bereits beschriebener Weise aufgebracht werden. In diesen Beispielen kann der UV-Initiator bei der Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe verwendet werden. Mit anderen Worten, der UV-Initiator kann das UV-Licht absorbieren und freie Radikale erzeugen, die mit Doppelbindungen reagieren und dabei eine Kettenreaktion und Polymerisation verursachen. In einem Beispiel kann der UV-Initiator Methylbenzoylformat sein. In einem anderen Beispiel besteht der UV-Initiator aus Methylbenzoylformat.
  • Die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe über UV-Licht und/oder Einbindung des UV-Initiators auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 kann verwendet werden, wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (a), (b), (c) oder (d) besteht.
  • Exposition gegenüber einer Wärmebehandlung kann mithilfe einer Wärmequelle erreicht werden, wie einer Wärmelampe, einem Ofen oder einem Backofen. Die während der Wärmebehandlung verwendete Temperatur kann von der bzw. den verwendeten Beschichtungs-Vorstufe(n) und der Reaktions- oder Polymerisationstemperatur der Beschichtungs-Vorstufe(n) abhängig sein. In einem Beispiel kann die während der Wärmebehandlung verwendete Temperatur zwischen etwa 50°C und etwa 80°C liegen.
  • In den Beispielen des Verfahrens, bei der die Beschichtungs-Vorstufe polymerisiert wird, indem die Lithium-Metall-Elektrode 12 mit der Beschichtungs-Vorstufe darauf einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, kann das Verfahren des Weiteren das Aufbringen eines thermischen Initiators auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 vor der Polymerisation umfassen. Der thermische Initiator kann mit der Beschichtungs-Vorstufe gemischt werden und auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 in bereits beschriebener Weise aufgebracht werden. In diesen Beispielen kann der thermische Initiator bei der Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe verwendet werden. Mit anderen Worten, der thermische Initiator kann sich bei der Temperatur der Polymerverarbeitung schnell zersetzen und freie Radikale erzeugen, die mit Doppelbindungen reagieren und dabei eine Kettenreaktion und Polymerisation verursachen. In einem Beispiel kann der thermische Initiator Azobisisobutyronitril (AIBN), Benzoylperoxid (BPO) oder eine Kombination derselben umfassen. In einem anderen Beispiel besteht der thermische Initiator aus Azobisisobutyronitril, Benzoylperoxid oder einer Kombination derselben.
  • Die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe über Wärmebehandlung und/oder Einbindung des thermischen Initiators auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 kann verwendet werden, wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (a), (b), (c) oder (d) besteht.
  • Exposition gegenüber der Plasmabehandlung kann unter Verwendung einer Plasmaquelle erreicht werden, wie einer Plasmakammer. Die während der Plasmabehandlung verwendete Temperatur kann von der bzw. den verwendeten Beschichtungs-Vorstufe(n) und der Reaktions- oder Polymerisationstemperatur der Beschichtungs-Vorstufe(n) abhängig sein. In einem Beispiel kann die während der Plasmabehandlung verwendete Temperatur in einem Bereich von etwa 30°C bis etwa 110°C liegen. In einem anderen Beispiel kann die während der Plasmabehandlung verwendete Temperatur in einem Bereich von etwa 55°C bis etwa 60°C liegen.
  • Wenn die Beschichtungs-Vorstufe aus (a), (b), (c) oder (d) besteht, kann die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe über die Plasmabehandlung erreicht werden. Wenn die Plasmabehandlung für die Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe verwendet wird, kann auch der zuvor beschriebene thermische Initiator auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 mit der Beschichtungs-Vorstufe aufgebracht werden.
  • In einigen Beispielen kann das Verfahren auch das Aufbringen eines Vernetzungsmittels auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 vor der Polymerisation umfassen. Das Vernetzungsmittel kann mit der Beschichtungs-Vorstufe gemischt werden und auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 in bereits beschriebener Weise aufgebracht werden. In diesen Beispielen kann das Vernetzungsmittel in der Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe verwendet werden. Mit anderen Worten, das Vernetzungsmittel kann eine Bindung zwischen den gebildeten Polymerketten bilden. Diese Bindungen können die mechanische Leistungsfähigkeit der Beschichtung anpassen, zur besseren Unterdrückung der Dendritbildung und zur Verbesserung der Lithiumionenleitung. In einem Beispiel, kann das Vernetzungsmittel Poly(ethylenglykol)dimethylacrylat, 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxan oder eine Kombination derselben umfassen. In einem anderen Beispiel besteht das Vernetzungsmittel aus Poly(ethylenglykol)dimethylacrylat, 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxan oder einer Kombination derselben.
  • Das Vernetzungsmittel kann verwendet werden, wenn die Beschichtungs-Vorstufe (a) oder (c) umfasst, und wenn entweder das UV-Licht, die Wärmebehandlung oder die Plasmabehandlung für die Polymerisation von (a) oder (c) verwendet wird.
  • In einigen Beispielen des Verfahrens, das eine Beschichtungs-Vorstufe (a) umfasst, kann das Verfahren aus der Bereitstellung der Lithium-Metall-Elektrode 12, dem Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe (a) allein auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 und dem Polymerisieren der Beschichtungs-Vorstufe, direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, zur Bildung der Beschichtung 14 auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, bestehen. In diesen Beispielen werden der UV-Initiator, der thermische Initiator und das Vernetzungsmittel nicht auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht. In anderen Beispielen wird die Beschichtungs-Vorstufe (a) und das Vernetzungsmittel auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht. In noch anderen Beispielen werden die Beschichtungs-Vorstufe (a), einer der Initiatoren und das Vernetzungsmittel auf die Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht.
  • In einigen Beispielen des Verfahrens, das eine Beschichtungs-Vorstufe (b) umfasst, kann das Verfahren aus der Bereitstellung der Lithium-Metall-Elektrode 12, dem Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe (b) und einer der Initiatoren auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, und dem Polymerisieren der Beschichtungs-Vorstufe, direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, zur Bildung der Beschichtung 14 auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, bestehen. In diesen Beispielen wird das Vernetzungsmittel nicht auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht.
  • In einigen Beispielen des Verfahrens, das eine Beschichtungs-Vorstufe (c) umfasst, kann das Verfahren aus der Bereitstellung der Lithium-Metall-Elektrode 12, dem Aufbringen der Beschichtungs-Vorstufe (c) und einer der Initiatoren auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, und dem Polymerisieren der Beschichtungs-Vorstufe, direkt auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, zur Bildung der Beschichtung 14 auf der Lithium-Metall-Elektrode 12, bestehen. In diesen Beispielen kann - oder kann nicht - das Vernetzungsmittel auf der Lithium-Metall-Elektrode 12 aufgebracht werden.
  • Die durch Polymerisation der Beschichtungs-Vorstufe gebildete Beschichtung 14 besteht aus einem von: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, gebildet aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) einem Homopolymer, gebildet aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) einer Kombination von zwei beliebigen oder mehreren von (i), (ii) und (iii). Es ist selbstverständlich, dass die polymere ionische Flüssigkeit oder das Homopolymer eine vernetzte Spezies sein kann, solange das Vernetzungsmittel während ihrer Bildung verwendet wird.
  • In einigen Beispielen umfasst die Beschichtung 14 (i), die polymere ionische Flüssigkeit. Es kann angenommen werden, dass die Beschichtung 14 (i) umfasst, wenn die Beschichtung 14 aus (i) besteht, oder wenn die Beschichtung 14 aus (iv) besteht.
  • Wenn die Beschichtung 14 (i) umfasst, dann umfasst die Beschichtungs-Vorstufe die Beschichtungs-Vorstufe (a). In diesen Beispielen kann die polymere ionische Flüssigkeit aus einem Kation gebildet werden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon, worin das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe trägt; und einem Anion, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon. Wie oben erwähnt, umfassen einige spezifische Beispiele des Kations 1-Allyl-1-methylpyrrolidinium, 1-Allyl-1-methylpiperidinium und Kombinationen davon.
  • Bei einigen dieser Beispiele kann die polymere ionische Flüssigkeit aus dem Kation und dem Anion allein gebildet werden. In anderen dieser Beispiele kann die polymere ionische Flüssigkeit aus dem Kation und dem Anion in Kombination mit dem UV-Initiator oder dem thermischen Initiator, und/oder dem Vernetzungsmittel gebildet werden. Wenn der UV-Initiator verwendet wird, kann der UV-Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit. Wenn der thermische Initiator verwendet wird, kann der thermische Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit. Wenn das Vernetzungsmittel verwendet wird, kann das Vernetzungsmittel in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit.
  • In einigen anderen Beispielen umfasst die Beschichtung 14 (ii), das VEC-Polymer. Es kann angenommen werden, dass die Beschichtung 14 (ii) umfasst, wenn die Beschichtung 14 aus (ii) besteht, oder wenn die Beschichtung 14 aus (iv) besteht.
  • Wenn die Beschichtung 14 (ii) umfasst, dann umfasst die Beschichtungs-Vorstufe die Beschichtungs-Vorstufe (b). In diesen Beispielen kann das VEC-Polymer aus Vinylethylencarbonat in Kombination mit dem UV-Initiator oder dem thermischen Initiator gebildet werden. Wenn der UV-Initiator verwendet wird, kann der UV-Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des VEC-Polymers. In einem anderen Beispiel kann der UV-Initiator in einer Menge von etwa 0,05 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des VEC Polymers. Wenn der thermische Initiator verwendet wird, kann der thermische Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des VEC-Polymers. In noch einem anderen Beispiel, kann der thermische Initiator in einer Menge von mehr 0,05 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des VEC-Polymers.
  • In noch einigen anderen Beispielen umfasst die Beschichtung 14 (iii), das Homopolymer. Die Beschichtung 14 kann (iii) umfassen, wenn die Beschichtung 14 aus (iii) besteht, oder wenn die Beschichtung 14 aus (iv) besteht.
  • Wenn die Beschichtung 14 (iii) umfasst, dann umfasst die Beschichtungs-Vorstufe die Beschichtungs-Vorstufe (c). In diesen Beispielen kann das Homopolymer aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, in Kombination mit dem UV-Initiator oder dem thermischen Initiator, und/oder dem Vernetzungsmittel gebildet werden. Wenn der UV-Initiator verwendet wird, kann der UV-Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des Homopolymers. Wenn der thermische Initiator verwendet wird, kann der thermische Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des Homopolymers. Wenn das Vernetzungsmittel verwendet wird, kann das Vernetzungsmittel in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% vorhanden sein, bezogen auf die Gesamtgew.-% des Homopolymers.
  • In noch anderen Beispielen besteht die Beschichtung 14 aus (iv). In diesen Beispielen kann die Beschichtung 14 ein Verbundwerkstoff sein, der aus (i) und (ii); (i) und (iii); (ii) und (iii); oder (i), (ii) und (iii) besteht. Bei einigen dieser Beispiele kann der Verbundwerkstoff, der aus (i) und (ii); (i) und (iii); (ii) und (iii); oder (i), (ii) und (iii) besteht, in einer einzigen Schicht miteinander vermischt werden. In anderen dieser Beispiele kann der Verbundstoff aus separaten, aufeinander folgenden Schichten von (i) und (ii); (i) und (iii); (ii) und (iii); oder (i), (ii) und (iii) (z. B. eine Schicht aus (i) gefolgt von einer Schicht (ii), oder eine Schicht aus (i) gefolgt von einer Schicht (iii) usw.) bestehen. In noch anderen dieser Beispiele kann der Verbundstoff aus aufeinander folgenden Schichten bestehen, wobei mindestens eine Schicht aus einem Gemisch aus (i) und (ii); (i) und (iii); (ii) und (iii); oder (i), (ii) und (iii) (z. B. eine Schicht aus (i) und (iii) gefolgt von einer Schicht (ii), oder einer Schicht aus (i) und (ii) gefolgt von einer Schicht aus (i), (ii) und (iii) usw.) besteht. Wenn die entsprechenden Monomere miteinander vermischt werden, um (iv) zu bilden, können sie eine Selbstpolymerisation eingehen, um die verschiedenen Polymere (i), (ii) und (iii) zu bilden. In einigen Fällen können einige der gemischten Monomeren auch copolymerisieren und das resultierende Copolymer ist unter den unterschiedlichen Polymeren (i), (ii) und (iii) vertreten.
  • In einem Beispiel der Verbundwerkstoffs-Beschichtung, bestehend aus (i), (ii) und (iii), liegt die polymere, ionische Flüssigkeit (i) in einer Menge im Bereich von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew-% bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung 14 vor, das VEC Polymer (ii) liegt in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.% bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung 14 vor, und das Homopolymer (iii) liegt in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.% bis etwa 50 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung 14 vor.
  • In einem Beispiel hat die Beschichtung 14 eine Dicke im Bereich von etwa 500 nm bis etwa 5000 nm.
  • Die Beschichtung 14 kann das Dendritwachstum während des Zyklus einer Lithium-basierten Batterie, die eine negative Elektrode 10 enthält, unterdrücken. Die Beschichtung 14 übt während des Zyklus auf das ausgefällte Lithium einen hohen Stapeldruck aus (im Vergleich zu dem Druck, dem Lithium durch einen flüssigen Elektrolyten ausgesetzt wäre, der einen Wert von 0 Gpa haben kann). Dieser Druck führt dazu, dass das ausgefällte Lithium abgestumpfte und dicke Lithiumablagerungen bildet, anstatt scharfen dendritischen Ablagerungen, die sich von der positiven Elektrode aus erstrecken können. In einem Beispiel kann der durch die Beschichtung 14 auf das Lithium ausgeübte Druck höher als 1 Gpa sein.
  • Die Beschichtung 14 kann auch Lithiumionen leiten. Die Beschichtung 14 ermöglicht den Lithiumionen vom aktiven Lithium-Metall-Material 12 durch die Beschichtung 14 zum Elektrolyten und durch die Batterie zu wandern. Somit können Lithium-basierte Batterien mit einer eingebauten negativen Elektrode 10 geladen werden und sich entladen.
  • Nach Erhalt der negativen Elektrode 10 (d. h., dem aktiven Lithium-Metall-Material/ der Elektrode 12 mit der Beschichtung 14 darauf), kann die negative Elektrode 10 zu einer Lithium-basierten Batterie 200, 300, 400 (siehe 2-4) hinzugefügt werden. Im Allgemeinen kann die Zelle/Batterie 200, 300, 400 mit der negativen Elektrode 10, einer geeigneten positiven Elektrode 18, 18', 18" (Beispiele davon sind nachfolgend beschrieben), einem mikroporösen Polymerseparator 22, der zwischen der negativen und positiven Elektrode 10 und 18 oder 18' oder 18" angeordnet ist, und einem Beispiel des hierin offenbarten Elektrolyten zusammengebaut werden, mit einem geeigneten Lösungsmittel für die jeweilige Batterieart.
  • Lithium-Schwefel-Batterie/Elektrochemische Zelle
  • Ein Beispiel einer Lithium-Schwefel-Batterie 200 wird in 2 gezeigt. Für die Lithium-Schwefel-Batterie/elektrochemischen Zelle 200, kann die negative Elektrode 10 (d. h. das aktive Lithium-Metall-Material 12 mit der Beschichtung 14 darauf) verwendet werden.
  • Die positive Elektrode 18 der Lithium-Schwefel-Batterie 200 umfasst ein beliebiges Schwefel-basiertes aktives Material, das einem genügenden Legieren und Ablegieren unterzogen werden kann, wobei Kupfer, Nickel, Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromabnehmer 20 als der positive Anschluss der elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle 200 arbeitet. Ein Beispiel eines Schwefel-basierten aktiven Materials ist ein SchwefelKohlenstoff-Verbundwerkstoff. In einem Beispiel liegt das Gewichtsverhältnis von S zu C in der positiven Elektrode 18 zwischen 1:9 und 9:1.
  • Die positive Elektrode 18 in der Lithium-Schwefel-Batterie 200 kann ein Bindemittel oder einen leitfähigen Füllstoff umfassen. Das Bindemittel kann verwendet werden, um das aktive Material strukturell zusammen zuhalten. Beispiele für Bindemittel umfassen Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyethylenoxid (PEO), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Butadien-Kautschuk-Carboxymethylcellulose (SBR-CMC), Polyacrylsäure (PAA), vernetzte Polyacrylsäure-Polyethylenimin, Polyimid oder jedes beliebige andere geeignete Bindemittel. Beispiele anderer geeigneter Bindemittel sind unter anderem Polyvinylalkohol (PVA), Natriumalginat oder andere wasserlösliche Bindemittel.
  • Der leitfähige Füllstoff kann ein leitfähiges Kohlenstoffmaterial sein. Der leitfähige Kohlenstoff kann ein Kohlenstoff mit großer Oberfläche, wie Acetylenruß oder ein anderes Kohlenstoffmaterial (z. B. Super P), sein. Andere Beispiele für geeignete leitfähige Füllstoffe umfassen Graphen, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder Kohlenstoff-Nanofasern. Der leitfähige Füllstoff ist enthalten, um eine Elektronenleitung zwischen dem aktiven Material und dem positivseitigen Stromabnehmer 20 in der Batterie 200 zu gewährleisten.
  • Der polymere, mikroporöse Separator 22 kann z. B. aus einem Polyolefin gebildet werden. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein und kann entweder linear oder verzweigt sein. Wenn ein Heteropolymer, das von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, verwendet wird, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines Randomcopolymers. Dasselbe gilt, wenn das Polyolefin ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist. Beispielsweise kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche poröse Separatoren 22 enthalten eine Polypropylen-Membran mit einer einzelnen Schicht, wie z. B. CELGARD 2400 und CELGARD 2500 von Celgard, LLC (Charlotte, NC). Es ist selbstverständlich, dass der mikroporöse Separator 22 beschichtet oder behandelt, oder unbeschichtet oder unbehandelt sein kann. Der mikroporöse Separator 22 kann beispielsweise beschichtet oder unbeschichtet sein oder eine beliebige Oberflächenaktivstoffbehandlung besitzen.
  • In anderen Beispielen kann der mikroporöse Polymerseparator 22 aus einem anderen Polymer bestehen, ausgewählt aus Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polycarbonaten, Polyester, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefincopolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen (z. B. PARMAX™ (Mississippi Polymer Technologies, Inc., Bay Saint Louis, Mississippi)), Polyaryletherketonen, Poly(perfluorcyclobutan), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid-Copolymeren und Terpolymeren, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid, und/oder Kombinationen derselben. Es wird angenommen, dass ein anderes Beispiel eines flüssigkristallinen Polymers, das für den mikroporösen Separator 22 verwendet werden kann, Poly(p-Hydroxybenzoesäure) ist. In einem weiteren Beispiel kann der mikroporöse Separator 22 aus einer Kombination von Polyolefin (wie z. B. PE und/oder PP) und einem oder mehreren der anderen oben aufgelisteten Polymeren ausgewählt werden.
  • Der mikroporöse Polymerseparator 22 kann eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat (z. B. Doppelschicht oder Dreifachschicht usw.) sein, das entweder über ein trockenes oder nasses Verfahren hergestellt wurde. Der gesamte mikroporöse Separator 22 kann beispielsweise aus einer einzelnen Schicht Polyolefin und/oder einem anderen aufgelisteten Polymer bestehen. Als ein weiteres Beispiel kann der mikroporöse, polymere Separator 22 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines anderen Polyolefins und/oder Polymers zusammengesetzt sein. In einem Beispiel wird eine getrennte Schicht des Polyolefins mit einer oder mehreren Schichten Polymeren beschichtet, um den mikroporösen, polymeren Separator 22 zu bilden. Darüber hinaus können die Schicht aus Polyolefin (und/oder irgendwelchen anderen optionalen Polymeren) und irgendwelche anderen optionalen Polymerschichten zudem als fibröse Schicht in dem mikroporösen Polymerseparator 22 beinhaltet sein, um den mikroporösen Polymerseparator 22 mit geeigneten Eigenschaften für Struktur und Porosität auszustatten. Wiederum andere geeignete mikroporöse Polymerseparatoren 22 können solche umfassen, an denen eine Schicht aus keramischem Material haftet, oder solche, die einen keramischen Füllstoff in der Polymermatrix enthalten (z. B. eine organisch-anorganische Verbundmatrix).
  • Der mikroporöse Separator 22, der gleichzeitig als elektrischer Isolator und als mechanischer Träger dient, ist zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 18 eingeschoben, um den physischen Kontakt zwischen den beiden Elektroden 10, 18 zu verhindern, und um das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zur Bereitstellung einer physikalischen Barriere zwischen den Elektroden 10, 18, sorgt der mikroporöse Separator 22 für den Durchgang von Lithiumionen durch eine Elektrolytlösung, die seine Poren füllt.
  • Die negative Elektrode 10, die Schwefel-basierte positive Elektrode 18 und der mikroporöse Separator 22 werden mit dem Elektrolyten getränkt (nicht dargestellt), der ein Lösungsmittel, das für die Lithium-Ionen-Batterie 200 geeignet ist, und ein Lithiumsalz umfasst.
  • In einem Beispiel kann das für die Lithium-Schwefel-Batterie 200 geeignete Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit sein. Wenn die ionische Flüssigkeit als das Lösungsmittel verwendet wird, dann kann die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein Anion umfassen. Das Kation kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon. In einem Beispiel kann das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe tragen. Einige spezifische Beispiele des Kations umfassen 1-Allyl-1-methylpyrrolidinium, 1-Allyl-1-methylpiperidinium und Kombinationen davon. Das Anion kann ein Fluorsulfonylimidbasiertes Anion sein. Einige spezifische Beispiele des Anions umfassen Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon.
  • In einem anderen Beispiel kann das für die Lithium-Schwefel-Batterie 200 geeignete Lösungsmittel ein Ether-basiertes Lösungsmittel sein. Beispiele des Ether-basierten Lösungsmittels umfassen zyklische Ether, wie beispielsweise 1,3-Dioxolan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, und Kettenstrukturether wie 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME), Polyethylenglykol-Dimethylether (PEGDME), Ethylether, aliphatische Ether, Polyether und Mischungen davon.
  • Beispiele für die Lithiumsalze, die in der bzw. den ionischen Flüssigkeit(en) gelöst sein können, beinhalten LiPF6, LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(FSO2)2 (LIFSI), LiN(CF3SO2)2 (LITFSI oder Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid), LiB(C2O4)2 (LiBOB), LiBF2(C2O4) (LiODFB), LiPF3(C2F5)3 (LiFAP), LiPF4(CF3)2,LiPF4(C2O4) (LiFOP), LiPF3(CF3)3, LiSO3CF3, LiNO3, und Mischungen hiervon.
  • Lithium-Ionen-Batterie/Elektrochemische Zelle
  • Ein Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie 300 wird in 3 gezeigt. Für die Lithium-Ionen Batterie/ elektrochemische Zelle 300, kann die negative Elektrode 10 (d. h. das aktive Lithium-Metall-Material 12 mit der Beschichtung 14 darauf) verwendet werden.
  • Die positive Elektrode 18' der Lithium-Ionen-Batterie 300 kann ein beliebiges Lithium-basiertes aktives Material enthalten, das einer genügenden Lithium-Insertion und Desertion unterzogen werden kann, wobei Kupfer, Nickel, Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromabnehmer 20 als der positive Anschluss der elektrochemischen Lithiumionenzelle arbeitet.
  • Eine gemeinsame Klasse bekannter Lithium-basierter aktiver Materialien, die für dieses Beispiel der positiven Elektrode 18' geeignet sind, umfasst geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. So kann beispielsweise das Lithium-basierte aktive Material ein Spinell-Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2) ein Mangan-NickelOxid-Spinell [Li (Mn1,5Ni0,5)O2 oder ein geschichtetes Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid sein (mit einer allgemeinen Formel xLi2MnO3 (1-x) LiMO2 oder (M setzt sich aus einem Verhältnis von Ni, Mn und/oder Co zusammen). Ein bestimmtes Beispiel des geschichteten Nickel-Mangan-Cobalt-Oxids beinhaltet (xLi2MnO3·(1-x) Li (Ni1/3Mn1/3Co1/3) O2). Weitere geeignete Lithium-basierte aktive Materialien beinhalten Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 , Lix+yMn2-yO4 (LMO, 0 <x <1 und 0 <y <0,1) oder ein Lithium-Eisen-Polyanion-Oxid, wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) oder Lithium-Eisen-Fluorphosphat (Li2FePO4F) oder eine lithiumreiche Schichtstruktur. Des Weiteren können auchandere Lithium-basierte aktive Materialien verwendet werden, wie LiNi1-xCo1-yMx+yO2 bzw.LiMn1,5-x,Ni0,5-yMx+yO4 (M setzt sich aus einem Verhältnis von Al, Ti, Cr, und/oder Mg zusammen), stabilisiertem Lithiummanganoxid-Spinell (LixMn2-yMyO4, worin M sich aus einem Verhältnis von Al, Ti, Cr, und/oder Mg zusammensetzt), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (z. B. LiNi0,8 Co0,15Al 0,05O2) oder NCA), Aluminium-stabilisierter Lithiummanganoxid-Spinell (z. B. LixAl0,05Mn0,95O2), Lithium-Vanadiumoxid (LiV2O5), Li2MSiO4; (wobei sich M aus einem beliebigen Verhältnis von Co, Fe, und/oder Mn zusammensetzt) und jedes beliebige andere energiereiche Nickel-Mangan-Cobalt-Material (HE-NMC, NMC oder LiNiMnCoO2). Mit „beliebiges Verhältnis“ ist gemeint, dass jedes beliebige Element in jeder beliebigen Menge vorhanden sein kann. So könnte in einigen Beispielen M Al sein, mit oder ohne Cr Ti und/oder Mg oder jede beliebige andere Kombination der gelisteten Elemente. In einem anderen Beispiel können Anionsubstitutionen im Gitter eines jeden Beispiels des Lithium-Übergangsmetall-basierten aktiven Materials zur Stabilisierung der Kristallstruktur gemacht werden. So kann beispielsweise jedes beliebige O-Atom durch ein F-Atom substituiert sein.
  • Geeignete Materialien, nicht auf Lithium-Basis, für dieses Beispiel der positiven Elektrode 18' umfassen Metalloxide, wie Manganoxid (Mn2O4), Kobaltoxid (CoO2) einen Nickel-Mangan-Oxid-Spinell, ein geschichtetes Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid oder ein Eisen-Polyanion-Oxid, wie Eisen-Phosphat (FePO4) oder Eisenfluorphosphat (FePO4F) oder Vanadiumoxid (V2O5).
  • Die positive Elektrode 18' in der Lithium-Ionen-Batterie/elektrochemischen Zelle 300 kann jede der zuvor erwähnten Bindemittel und leitenden Füllstoffe enthalten.
  • Die negative Elektrode 10, die positive Elektrode 18' und der mikroporöse Separator 22 werden mit dem Elektrolyten getränkt (nicht dargestellt), der Lösungsmittel, das für die Lithium-Ionen-Batterie 300 geeignet ist, und ein Lithiumsalz enthält.
  • In einem Beispiel kann das für die Lithium-Ionen-Batterie 300 geeignete Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit sein. Wenn die ionische Flüssigkeit als das Lösungsmittel verwendet wird, dann kann die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein Anion umfassen. Das Kation kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon. In einem Beispiel kann das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe tragen. Einige spezifische Beispiele des Kations umfassen 1-Allyl-1-methylpyrrolidinium, 1-Allyl-1-methylpiperidinium und Kombinationen davon. Das Anion kann ein Fluorsulfonylimidbasiertes Anion sein. Einige spezifische Beispiele des Anions umfassen Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon.
  • In einem anderen Beispiel kann ein für die Lithiumionen-Batterie 300 geeignetes Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel oder eine Mischung aus organischen Lösungsmitteln sein. Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel umfassen zyklische Carbonate (Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetraglyme), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran,1,3-Dioxolan), Dioxan, Acetonitril, Nitromethan, Ethylmonoglym, Phosphorsäure-Triester, Trimethoxymethan, Dioxolanderivate, 3-Methyl-2-oxazolidinon, Propylencarbonatderivate, Tetrahydrofuranderivate, Ethylether, 1,3-Propansulton, N-Methylacetamid, Acetale, Ketale, Sulfone, Sulfolane, aliphatische Ether, zyklische Ether, Glyms, Polyether, Phosphatester, Siloxane, Dioxolane, N-Alkylpyrrolidone und Mischungen davon.
  • Beispiele für das Lithiumsalz, das in der bzw. den ionischen Flüssigkeit(en) und/oder in dem/den organischen Lösungsmittel(n) gelöst sein kann, umfassen alle vorstehend aufgeführten Lithiumsalze, die in den ionischen Flüssigkeiten und/oder Lösungsmittel(n) und/oder in den dem oder den Ethern der Lithium-Schwefel-Batterie 200 aufgelöst werden können.
  • Lithium-Metall-Batterie/Elektrochemische Zelle
  • Ein Beispiel einer Lithium-Metall-Batterie 400 wird in 4 gezeigt. Für die Lithium-Ionen Batterie/ elektrochemische Zelle 300, kann die negative Elektrode 10 (d. h. das aktive Lithium-Metall-Material 12 mit der Beschichtung 14 darauf) verwendet werden.
  • Die positive Elektrode 18" der Lithium-Metall-Batterie 400 kann ein beliebiges Lithium-basiertes aktives Material enthalten, das einer genügenden Lithium-Insertion und Desertion unterworfen werden kann, wobei Kupfer, Nickel, Aluminium oder ein anderer geeigneter Stromabnehmer 20 als der positive Anschluss der elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle arbeitet. Jedes der vorhergehenden Lithium-basierten aktiven Materialien kann in der positiven Elektrode 18" der Lithium-Metall-Batterie 400 verwendet werden, ein Beispiel hierfür umfasst LiFePO4. Die positive Elektrode 18" in der Lithium-Metall-Batterie/elektrochemischen Zelle 400 kann jedes der zuvor beschriebenen Bindemittel und/oder leitenden Füllstoffe umfassen.
  • Die negative Elektrode 10, die positive Elektrode 18" und der mikroporöse Separator 22 werden mit dem Elektrolyten getränkt (nicht dargestellt), der ein Lösungsmittel, das für die Lithium-Metall-Batterie 400 geeignet ist, und ein Lithiumsalz enthält.
  • In einem Beispiel kann das für die Lithium-Metall-Batterie 400 geeignete Lösungsmittel eine ionische Flüssigkeit sein. Wenn die ionische Flüssigkeit als das Lösungsmittel verwendet wird, dann kann die ionische Flüssigkeit ein Kation und ein Anion umfassen. Das Kation kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon. In einem Beispiel kann das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe tragen. Einige spezifische Beispiele des Kations umfassen 1-Allyl-1-methylpyrrolidinium, 1-Allyl-1-methylpiperidinium und Kombinationen davon. Das Anion kann ein Fluorsulfonylimidbasiertes Anion sein. Einige spezifische Beispiele des Anions umfassen Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon.
  • In einem anderen Beispiel kann das für die Lithium-Metall-Batterie 400 geeignete Lösungsmittel ein Ether-basiertes Lösungsmittel sein. Beispiele des Ether-basierten Lösungsmittels umfassen alle der oben aufgeführten Ether-basierten Lösungsmittel in Bezug zur Lithium-Schwefel-Batterie 200.
  • In noch einem anderen Beispiel kann das für die Lithium-Metall-Batterie 400 geeignete Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel oder eine Mischung aus organischen Lösungsmitteln sein. Beispiele geeigneter organischer Lösungsmittel umfassen alle der oben aufgeführten organischen Lösungsmittel in Bezug zur Lithium-Ionen-Batterie 300.
  • Beispiele für das Lithiumsalz, das in der bzw. den ionischen Flüssigkeit(en), dem oder den Ether-basierten Lösungsmittel(n) und/oder dem/den organischen Lösungsmittel(n) gelöst sein kann, umfassen alle vorstehend aufgeführten Lithiumsalze in Bezug zur Lithium-Schwefel-Batterie 200 oder der Lithium-Ionen-Batterie 300.
  • Wie in 2-4 dargestellt, umfassen die Lithium-Schwefel-Batterie /elektrochemische Zelle 200, die Lithium-Ionen-Batterie/elektrochemische Zelle 300 und die Lithium-Metall-Batterie/elektrochemische Zelle 400 jeweils einen unterbrechbaren externen Stromkreis 24, der die negative Elektrode 10 und die positive Elektrode 18, 18', 18" miteinander verbindet. Die Lithium-Schwefel-Batterie /elektrochemische Zelle 200, die Lithium-Ionen-Batterie/elektrochemische Zelle 300 und die Lithium-Metall-Batterie/elektrochemische Zelle 400 können jeweils auch einen Verbraucher 26 unterstützen, der operativ mit dem externen Stromkreis 24 verbunden sein kann. Der Verbraucher 26 wird vom elektrischen Strom, der durch den externen Stromkreis 24 fließt, wenn die Batterie 200, 300, 400 entladen wird, mit elektrischer Energie gespeist. Während der Verbraucher 26 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Geräte sein kann, umfassen einige spezifische Beispiele eines stromverbrauchenden Verbrauchers 26 einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein Elektroauto, einen Laptop-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug. Der Verbraucher 26 kann jedoch auch eine Energieerzeugungsvorrichtung sein, die die Batterie 200, 300, 400 zum Speichern der Energie auflädt. Die Neigung von Windrädern oder Solaranlagen, den Strom mit Schwankungen und/oder Unterbrechungen zu erzeugen, führt beispielsweise oft dazu, dass die überschüssige Energie für den späteren Gebrauch gespeichert werden muss.
  • 2-4 veranschaulichen auch den porösen Separator 22 zwischen den Elektroden 10, 18, 18', 18". An den Elektroden 10, 18, 18', 18" können Metallkontakte/-Träger (z. B. ein Kupferfolien-Kontakt/-Träger oder Nickelfolien-Kontakt/-Träger) hergestellt werden, Beispiele, die einen negativseitigen Stromabnehmer 16 an der negativen Elektrode 10 und einen positivseitigen Stromabnehmer 20 an der positiven Elektrode 18, 18', 18" umfassen.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie/elektrochemische Zelle 200 und/oder die Lithium-Ionen-Batterie/ elektrochemische Zelle 300 und/oder die Lithium-Metall-Batterie/elektrochemische Zelle 400 können auch eine breites Sortiment anderer Komponenten umfassen, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So können beispielsweise die Batterie 200, 300, 400 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlüsse, Laschen und irgendwelche anderen wünschenswerten Komponenten oder Materialien umfassen, die zwischen oder um die negative Elektrode 10 und die positive Elektrode 18, 18', 18" für leistungsbezogene oder andere praktische Zwecke liegen können. Zusätzlich können Größe und Form, sowie das Design und der chemische Aufbau der Hauptkomponenten der Batterie 200, 300, 400 in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung variieren, für die sie entworfen wurde. Batteriebetriebene Automobile und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Einsatzgebiete, bei denen die Batterie 200, 300, 400 sehr wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Batterie 200, 300, 400 kann auch in Reihe und/oder parallel mit anderen gleichartigen Batterien geschaltet sein, um eine größere Spannungs- und Stromausgabe (bei Parallelschaltung) oder eine größere Betriebsspannung (bei Schaltung in Reihe) zu erreichen, wenn der Verbraucher 26 dieses erfordert.
  • Die Lithium-Schwefel-Batterie/elektrochemische Zelle 200, die Lithium-Ionen-Batterie/elektrochemische Zelle 300 und die Lithium-Metall-Batterie/elektrochemische Zelle 400 basieren jeweils auf dem reversiblen Durchleiten von Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 10 und der positiven Elektrode 18, 18', 18". Im voll geladenen Zustand liegt die Spannung der Batterie 200, 300, 400 bei einem Maximalwert (normalerweise im Bereich von 2,0 V bis 5,0 V), im voll entladenen Zustand liegt die Spannung der Batterie 200, 300, 400 bei einem Minimalwert (normalerweise im Bereich von 0 V bis 2,0 V). Im Wesentlichen ändern sich die Fermi-Energieniveaus der aktiven Materialien in der positiven und der negativen Elektrode 18, 18', 18", 10 während des Batteriebetriebs und somit auch der Unterschied zwischen den beiden, auch bekannt als Batteriespannung. Während der Entladung nimmt die Batteriespannung ab und die Fermi-Niveaus nähern sich aneinander an. Während der Ladung kommt es zum umgekehrten Prozess, wobei die Batteriespannung steigt, während die Fermi-Niveaus sich voneinander entfernen. Während der Batterieentladung ermöglicht der externe Verbraucher 26 einen Stromfluss im externen Stromkreis 24, der eine solche Richtung hat, dass der Unterschied zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend der Zellspannung) sinkt. Während der Batterieaufladung geschieht das Gegenteil: Das Batterieladegerät erzwingt einen Stromfluss im externen Stromkreis 24, der eine solche Richtung hat, dass der Unterschied zwischen den Fermi-Niveaus (und dementsprechend die Zellspannung) steigt.
  • Zu Beginn der Entladung enthält die negative Elektrode 10 der Batterie 200, 300, 400 eine hohe Konzentration an interkaliertem Lithium, während die positive Elektrode 18, 18', 18" relativ verarmt ist. Wenn die negative Elektrode 10 eine ausreichend höhere Menge eingefügtes Lithium enthält, kann die Lithium-basierte Batterie 200, 300, 400 einen nutzbaren elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn der externe Stromkreis 24 geschlossen wird, um die negative Elektrode 10 und die positive Elektrode 18, 18', 18" miteinander zu verbinden. Die Schließung des externen Stromkreises 24 verursacht unter diesen Umständen die Extraktion des interkalierten Lithiums aus der negativen Elektrode 10. Die extrahierten Lithiumatome sind in Lithiumionen und Elektronen aufgespalten, wenn Sie den Host (d. h. das aktive Lithium-Metall-Material 12) an der Grenzfläche zwischen negativer Elektroden und Elektrolyt verlassen.
  • Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 18, 18', 18" und der negativen Elektrode 10 (im Bereich von etwa 0,005 V bis etwa 5,0 V, abhängig vom genauen chemischen Aufbau der Elektroden 10, 18, 18', 18") treibt die Elektronen, die durch die Oxidation des eingefügten Lithiums an der negativen Elektrode 10 entstehen, durch den externen Stromkreis 24 zur positiven Elektrode 18, 18', 18". Die Lithiumionen werden gleichzeitig von der Elektrolytlösung durch den mikroporösen Separator 22 zur positiven Elektrode 18, 18', 18" befördert. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 24 fließen, und die Lithiumionen, die durch den mikroporösen Separator 22 in der Elektrolytlösung wandern, werden schließlich wieder zusammengeführt und bilden an der positiven Elektrode 18, 18', 18" Lithium. Der durch den externen Stromkreis 24 fließende elektrische Strom kann durch den Verbraucher 26 genutzt und geleitet werden, bis das Niveau des eingefügten Lithiums an der negativen Elektrode 10 unter ein Mindestniveau fällt, oder falls kein Bedarf an elektrischer Energie mehr besteht.
  • Die Batterie 200, 300, 400, kann nach einer teilweisen oder vollen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität wieder aufgeladen werden. Zum Aufladen der Batterie 200, 300, 400 wird ein externes Batterieladegerät an die positive und die negative Elektroden 18, 18', 18", 10 angeschlossen, um die elektrochemischen Reaktionen der Batterieentladung in umgekehrter Reihenfolge wieder auszuführen. Während des Wiederaufladens fließen die Elektronen durch den externen Stromkreis 24 zurück zur negativen Elektrode 10, und die Lithiumionen werden durch den Elektrolyt durch den mikroporösen Separator 22 zurück zur negativen Elektrode 10 transportiert. Die Elektronen und die Lithiumionen werden an der negativen Elektrode 10 wieder zusammengeführt, wodurch diese wieder mit Lithium zum Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus aufgefüllt wird.
  • Das externe Batterieladegerät, das verwendet werden kann, um die Batterie 200, 300, 400 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Batterie 200, 300, 400 variieren. Zu einigen geeigneten externen Batterieladegeräten zählen ein Batterieladegerät, das an einer Wechselstrom-Wandsteckdose angesteckt wird und ein Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge.
  • Zur weiteren Darstellung der vorliegenden Offenbarung werden hier Beispiele angeführt. Es ist selbstverständlich, dass diese Beispiele zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt werden und nicht als den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend ausgelegt werden dürfen.
  • BEISPIEL
  • Eine beispielhafte negative Elektroden und eine vergleichende negative Elektroden wurden hergestellt. Die beispielhafte negative Elektrode umfasste das aktive Lithium-Metall-Material und die auf dem aktiven Lithium-Metall-Material aufgebrachte Beschichtung. Die Vergleichselektrode bestand aus dem aktiven Lithium-Metall-Material und umfasste keine Beschichtung.
  • Die Beschichtung der beispielhaften negativen Elektrode bestand aus einer polymeren ionischen Flüssigkeit. Die Beschichtung wurde durch Polymerisieren von 3-Ethyl-1-vinylimidazolium-bis(fluorsulfonyl)imid auf dem Lithiummetall gebildet. Die Polymerisierung wurde durch UV-Licht unter Verwendung eines UV-Initiators eingeleitet. Mikroporöse dreilagige Polypropylen (PP)- und Polyethylen(PE)-Polymer-Membranen (CELGARD 2032, erhältlich von Celgard) wurden als Separatoren verwendet. Der für die beispielhafte negative Elektrode/ Zelle und die vergleichende negative Elektrode/ Zelle verwendete Elektrolyt bestand aus 1 M LiFSI, aufgelöst in der ionischen Flüssigkeit PYR14 +FSI- plus 10 % (v/v) fluoriertem Ether. Die positive Elektrode in jeder Zelle war NMC.
  • Die Prüfbedingungen für das Li-NMC Beispiel und die Vergleichszelle waren: Raumtemperatur; Strom = 500 µA; und Spannungsfenster von 3,0 V bis 4,3 V. Die Ergebnisse der Kapazitätsretention sind in 5 dargestellt. In 5 wird auf der linken Y-Achse die mit „E“ gekennzeichnet Kapazitätsretention (in % 100) und auf der X-Achse die mit „#“ gekennzeichnete Zyklenzahl dargestellt.
  • Wie in 5 veranschaulicht war die Kapazitätsretention der Beispielzelle (gekennzeichnet mit „1“) in den Zyklen im Allgemeinen höher als die Kapazitätsretention der Vergleichszelle (gekennzeichnet mit „2“). 5 zeigt weiter, dass die beispielhafte Zelle einen Wirkungsgrad von 99,1 % erreichen kann. Man glaubt, dass der hohe Wirkungsgrad der beispielhaften Zelle erreicht wird, mindestens teilweise, aufgrund des von der Beschichtung ausgeübten Stapeldrucks auf das ausgefällte Lithium.
  • Bezugnahme in der Beschreibung auf „ein Beispiel“, „ein weiteres Beispiel“, „Beispiel“ usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), die in Kommunikation mit dem Beispiel beschrieben ist, in mindestens einem hier beschriebenen Beispiel beinhaltet ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die beschriebenen Elemente für jedes Beispiel in jeder geeigneten Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert werden können, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
  • Es ist selbstverständlich, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. Ein Bereich von größer als
    0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% sollte beispielsweise interpretiert werden, nicht nur die explizit genannten Grenzen von größer als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% zu umfassen, sondern auch Einzelwerte, wie z. B. 0,75 Gew.-%, 2 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4,2 Gew.-% usw., und Teilbereiche, wie z. B. größer als
    0 Gew.-% bis etwa 4,5 Gew.-%, von etwa 0,7 Gew.-% bis etwa 4,8 Gew.%, von etwa 1,75 Gew.% bis etwa 3,85 Gew.%, usw. Weiterhin, wenn „etwa“ verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, ist dies in der Weise zu verstehen, dass geringfügige Variationen des angegebenen Wertes umfasst werden (bis zu +/- 10 %).
  • Beim Beschreiben und Beanspruchen der hier offenbarten Beispiele schließen die Singularformen „ein“, „eine“, „einer“ und „der/die/das“ Mehrzahlbezüge ein, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
  • Zwar wurden mehrere Beispiele im Detail beschrieben, es versteht sich jedoch von selbst, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend anzusehen.

Claims (10)

  1. Negative Elektrode, umfassend: ein aktives Lithium-basiertes Material; und eine Beschichtung auf dem aktiven Lithium-Metall-Material, die Beschichtung bestehend aus: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, gebildet aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) ein Homopolymer, gebildet aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) eine Kombination von zwei beliebigen oder mehreren von (i), (ii) und (iii).
  2. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung (i) oder (iv) ist, und worin die polymere ionische Flüssigkeit gebildet wird aus: einem Kation, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon, worin das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe trägt; und einem Anion, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon.
  3. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung (i) oder (iv) ist, und worin die polymere ionische Flüssigkeit gebildet wir aus: einem Kation, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Pyrrolidinium-basierten Kation, einem Piperidinium-basierten Kation und Kombinationen davon, worin das Kation eine Vinyl- oder Allylgruppe trägt; einem Anion, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bis(fluorsulfonyl)imid, Bis(trifluormethansulfonyl)imid und Kombinationen davon; und entweder von: einem Vernetzungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Poly(ethylenglykol)dimethylacrylat, 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxan, und Kombination derselben; oder einem Ultraviolett (UV)-Initiator, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Methylbenzoylformiat; oder einem thermischen Initiator, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Azobisisobutyronitril, Benzoylperoxid und einer Kombination davon.
  4. Negative Elektrode nach Anspruch 3, worin die polymere ionische Flüssigkeit aus dem Kation, dem Anion und dem Vernetzungsmittel gebildet wird, und worin: das Vernetzungsmittel in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit; der UV-Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit; und/oder der thermische Initiator in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der polymeren, ionischen Flüssigkeit.
  5. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung (ii) oder (iv) ist, und worin: das VEC-Polymer entweder aus Vinylethylencarbonat und einem Ultraviolett (UV)-Initiator gebildet wird, und der UV-Initiator in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt-Gew.-% des VEC-Polymers vorliegt; oder das VEC-Polymer aus Vinylethylencarbonat und thermischem Initiator gebildet wird, und der thermische Initiator in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt-Gew.-% des VEC-Polymers vorliegt.
  6. Negative Elektrode nach Anspruch 5, worin: das VEC-Polymer entweder aus Vinylethylencarbonat und dem UV-Initiator gebildet wird, und der UV-Initiator Methylbenzoylformiat ist; oder das VEC-Polymer aus Vinylethylencarbonat und dem thermischen Initiator gebildet wird, und der thermische Initiator Methylbenzoylformiat ist; oder Kombinationen davon.
  7. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung (iii) oder (iv) ist, und worin: das Homopolymer entweder aus dem Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, dem Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder dem Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat und einem Vernetzungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Poly(ethylenglykol)dimethylacrylat, 2,4,6,8-Tetramethyl-2,4,6,8-tetravinylcyclotetrasiloxan und Kombinationen davon, gebildet wird, und das Vernetzungsmittel in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.% bis etwa 10 Gew.%, bezogen auf die gesamte Gew.-% des Homopolymer vorliegt; oder das Homopolymer aus dem Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, dem Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder dem Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat und einem Ultraviolett (UV)-Initiator gebildet wird, der UV-Initiator Methylbenzoylformat ist, und der UV-Initiator in einer Menge im Bereich von größer als 0 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt-Gew.% des Homopolymers vorliegt; oder das Homopolymer aus dem Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, dem Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder dem Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat und einem thermischen Initiator gebildet wird, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Azobisisobutyronitril, Benzoylperoxid und Kombinationen davon, und der thermische Initiator in einer Menge von größer als 0 Gew.- bis etwa 10 Gew.-%,bezogen auf die gesamte Gew.-% des Homopolymers vorliegt.
  8. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung eine Dicke im Bereich von etwa 500 nm bis etwa 5000 nm hat.
  9. Negative Elektrode nach Anspruch 1, worin die Beschichtung (iv) ist, und worin: die polymere ionische Flüssigkeit in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung; das VEC-Polymer in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung; und das Homopolymer in einer Menge von mehr als 0 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% vorhanden ist, bezogen auf die Gesamtgew.-% der Beschichtung.
  10. Lithium-basierte Batterie, umfassend: die negative Elektrode nach Anspruch 1, umfassend: das aktive Lithium-Metall-Material; und die auf dem aktiven Lithium-Metall-Material abgeschiedene Beschichtung, die Beschichtung bestehend aus: (i) einer polymeren ionischen Flüssigkeit; oder (ii) einem VEC-Polymer, gebildet aus Vinylethylencarbonat; oder (iii) einem Homopolymer, gebildet aus Ethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat, Triethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat oder Polyethylenglykol-Methylether-Methylmethacrylat; oder (iv) einer Kombination von zwei beliebigen oder mehreren von (i), (ii) und (iii); einer positiven Elektrode; und einem mikroporösen Polymerseparator, der mit einer Elektrolytlösung getränkt ist, wobei der mikroporöse Polymerseparator zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
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