DE102017204852A1 - Lithium-cell cathode with different sulfide lithium-ion conductors - Google Patents

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Rikiya Yoshida
Thomas Hupfer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode 10 für eine Lithium-Zelle 1, welche 10 Kathodenaktivmaterialpartikel 11 umfasst. Um auf kostengünstige Weise eine Lithium-Zelle 1 mit einer verbesserten Zyklenstabilität und kalendarischen Speicherdauer zur Verfügung zu stellen, sind die Kathodenaktivmaterialpartikel 11 zumindest mit einem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter 12 beschichtet, wobei die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel 11,12 in einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen sulfidischen Lithiumionenleiter 13 eingebettet sind, welcher 13 ein binärer sulfidischer Lithiumionenleiter ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine entsprechende Lithium-Zelle 1.

Figure DE102017204852A1_0000
The present invention relates to a cathode 10 for a lithium cell 1, which comprises 10 cathode active material particles 11. To provide a lithium cell 1 with improved cycle stability and calendar storage time in a cost effective manner, the cathode active material particles 11 are coated at least with a first sulfide lithium ion conductor 12, the coated cathode active material particles 11, 12 being placed in a second, different from the first, sulfide lithium ion conductor 13, which is a binary sulfidic lithium ion conductor. In addition, the invention relates to a process for their preparation and a corresponding lithium cell. 1
Figure DE102017204852A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für eine Lithium-Zelle, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine entsprechende Lithium-Zelle.The present invention relates to a cathode for a lithium cell, a process for their preparation and a corresponding lithium cell.

Stand der TechnikState of the art

Lithium-Ionen-Zellen und -batterien auf Feststoff-Basis können hohe Energiedichten, beispielsweise von > 400 Wh/kg, und - beispielsweise durch einen Verzicht auf Flüssigelektrolyte - sehr gute Sicherheitseigenschaften aufweisen.Solids-based lithium-ion cells and batteries can have very high energy densities, for example of> 400 Wh / kg, and-for example, by dispensing with liquid electrolytes-very good safety properties.

Die Druckschrift US 2014/0287324 A1 beschreibt Kathodenaktivmaterialpartikel, welche mit einer Beschichtung aus einem sulfidischen Festelektrolyten beschichtet sind.The publication US 2014/0287324 A1 describes cathode active material particles coated with a sulfidic solid electrolyte coating.

Die Druckschrift US 2014/0057180 A1 beschreibt ein oxidisches Aktivmaterial, welches mit einer Beschichtung beschichtet ist, die einen oxidischen Festelektrolyten und ein Leitmittel umfasst. Dabei steht das beschichtete oxidische Aktivmaterial in Kontakt mit einem sulfidischen Festelektrolyten.The publication US 2014/0057180 A1 describes an oxidic active material coated with a coating comprising a solid oxide electrolyte and a conductive agent. The coated oxidic active material is in contact with a sulfidic solid electrolyte.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Lithium-Zelle, welche Kathodenaktivmaterialpartikel umfasst, die zumindest mit einem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter beschichtet sind. Dabei sind die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel insbesondere in einen zweiten, insbesondere vom ersten unterschiedlichen, sulfidischen Lithiumionenleiter eingebettet. Der zweite sulfidische Lithiumionenleiter ist dabei insbesondere ein binärer sulfidischer Lithiumionenleiter.The subject of the present invention is a cathode for a lithium cell comprising cathode active material particles coated at least with a first sulfide lithium ion conductor. The coated cathode active material particles are embedded in particular in a second, in particular different from the first, sulfidic lithium ion conductor. The second sulfide lithium ion conductor is in particular a binary sulfidic lithium ion conductor.

Unter einem binären sulfidischen Lithiumionenleiter kann insbesondere ein sulfidischer Lithiumionenleiter verstanden werden, welcher aus Sulfiden von zwei unterschiedlichen Elementen, insbesondere aus Sulfiden von Lithium und einem weiteren, von Lithium unterschiedlichen Element, zum Beispiel Phosphor, ausgebildet ist. Beispiele für binäre sulfidische Lithiumionenleiter sind glasartiges und/oder keramisches Li2S/P2S5, beispielsweise glasartiges Li2S/P2S5 und/oder glasartig-keramisches Li2S/P2S5, insbesondere mit einem kristallinen Anteil, zum Beispiel in Form von Li7P3S11.A binary sulfidic lithium ion conductor may in particular be understood to be a sulfidic lithium ion conductor which is formed from sulfides of two different elements, in particular sulfides of lithium and another element other than lithium, for example phosphorus. Examples of binary sulfidic lithium ion conductors are glassy and / or ceramic Li 2 S / P 2 S 5 , for example glassy Li 2 S / P 2 S 5 and / or vitreous ceramic Li 2 S / P 2 S 5 , in particular with a crystalline fraction , for example in the form of Li 7 P 3 S 11 .

Sulfidische Lithiumionenleiter können vorteilhafterweise sehr hohe Lithiumionenleitfähigkeiten aufweisen. Dadurch, dass die Kathodenaktivmaterialpartikel mit dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter beschichtet und die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel in dem zweiten, vom ersten unterschiedlichen sulfidischen Lithiumionenleiter eingebettet sind, können die beiden sulfidischen Lithiumionenleiter auf ihren jeweiligen Einsatz hin optimiert und die Lithiumionenleitfähigkeit zwischen den Kathodenaktivmaterialpartikeln verbessert werden. Dadurch, dass der zweite sulfidische Lithiumionenleiter ein binärer sulfidischer Lithiumionenleiter ist, kann vorteilhafterweise auf einfache und kostengünstige Weise eine ausreichend hohe Lithiumionenleitfähigkeiten zwischen den Partikeln erzielt werden. Der erste sulfidische Lithiumionenleiter kann dabei vorteilhafterweise im Hinblick auf seine chemische Stabilität gegenüber dem Kathodenaktivmaterial hin optimiert ausgewählt werden. Auf diese Weise kann die Stabilität der Grenzfläche zwischen den Kathodenaktivmaterialpartikeln und dem zweiten sulfidischen Lithiumionenleiter optimiert und so vorteilhafterweise die Zyklenstabilität und kalendarische Speicherdauer erhöht werden.Sulphide lithium ionic conductors may advantageously have very high lithium ionic conductivities. By coating the cathode active material particles with the first sulfide lithium ion conductor and embedding the coated cathode active material particles in the second, different first sulfide lithium ion conductor, the two sulfide lithium ion conductors can be optimized for their particular application and the lithium ion conductivity between the cathode active material particles can be improved. By virtue of the fact that the second sulfidic lithium ion conductor is a binary sulfide lithium ion conductor, it is advantageously possible to achieve sufficiently high lithium ion conductivities between the particles in a simple and cost-effective manner. The first sulfidic lithium-ion conductor can advantageously be selected optimized with regard to its chemical stability with respect to the cathode active material. In this way, the stability of the interface between the cathode active material particles and the second sulfide lithium ion conductor can be optimized and thus advantageously the cycle stability and calendar storage duration can be increased.

Insgesamt kann so vorteilhafterweise auf kostengünstige Weise eine Lithium-Zelle mit einer verbesserten Zyklenstabilität und kalendarischen Speicherdauer zur Verfügung zu stellen werden.Overall, it is thus advantageously possible to provide a lithium cell with improved cycle stability and calendar storage duration in a cost-effective manner.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist der zweite sulfidische Lithiumionenleiter ein glasartiger und/oder keramischer, binärer sulfidischer Lithiumionenleiter, insbesondere auf Basis von Li2S/P2S5.In one embodiment, the second sulfide lithium ion conductor is a glassy and / or ceramic, binary sulfide lithium ion conductor, in particular based on Li 2 S / P 2 S 5 .

Zum Beispiel kann der zweite sulfidische Lithiumionenleiter glasartiges, amorphes Li2S/P2S5, beispielsweise mit einem Verhältnis in einem Bereich von 70/30 bis 80/20, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-4 bis 10-3 S/cm bei Raumtemperatur, und/oder glasartig-keramisches Li2S/P2S5 mit einem kristallinen Anteil, zum Beispiel in Form von Li7P3S11, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-3 bis 10-2 S/cm bei Raumtemperatur, umfassen oder sein.For example, the second sulfide lithium ion conductor may be vitreous amorphous Li 2 S / P 2 S 5 , for example, having a ratio in a range of 70/30 to 80/20, for example, having a lithium ion conductivity in a range of 10 -4 to 10 20 . 3 S / cm at room temperature, and / or vitreous-ceramic Li 2 S / P 2 S 5 with a crystalline fraction, for example in the form of Li 7 P 3 S 11 , for example with a lithium ion conductivity in a range of 10 -3 to or including 10 -2 S / cm at room temperature.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfassen die Kathodenaktivmaterialpartikel ein oxidisches Kathodenaktivmaterial, beispielsweise Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid, insbesondere mit einem hohen Nickelanteil, beispielsweise von > 33 Mol-%, wie NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, oder sind daraus ausgebildet. So können vorteilhafterweise hohen Energiedichten realisiert werden.In a further embodiment, the cathode active material particles comprise a cathode oxide active material, for example nickel-cobalt-manganese oxide and / or nickel-cobalt-aluminum oxide, in particular with a high nickel content, for example> 33 mol%, such as NCM622 and / or NCM811 and / or NCA, or are formed from it. Thus, advantageously, high energy densities can be realized.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der erste sulfidische Lithiumionenleiter ein binärer oder zumindest ternärer sulfidischer Lithiumionenleiter.In another embodiment, the first sulfide lithium ion conductor is a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor.

Unter einem zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter kann insbesondere ein sulfidischer Lithiumionenleiter verstanden werden, welcher aus Sulfiden von drei oder mehr unterschiedlichen Elementen, insbesondere aus Sulfiden von Lithium und mindestens zwei weiteren, von Lithium unterschiedlichen Elementen, ausgebildet ist.An at least ternary sulfidic lithium ion conductor may in particular be understood as meaning a sulfidic lithium ion conductor which consists of sulfides of three or more different elements, in particular of sulfides of lithium and at least two further, different from lithium elements is formed.

Zum Beispiel kann der erste sulfidische Lithiumionenleiter einen binären, sulfidischen Lithiumionenleiter, beispielsweise glasartiges, amorphes Li2S/P2S5, beispielsweise mit einem Verhältnis in einem Bereich von ≥ 70/30 bis ≤ 80/20, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-4 bis 10-3 S/cm bei Raumtemperatur, und/oder glasartig-keramisches Li2S/P2S5 mit einem kristallinen Anteil, zum Beispiel in Form von Li7P3S11, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-3 bis 10-2 S/cm bei Raumtemperatur, und/oder einen zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter, zum Beispiel mit der Raumgruppe P 42/nmc, beispielsweise Li10GeP2S12, Li10SnP2S12, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3 und/oder Li9,6P3S12, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-3 bis 10-2 S/cm bei Raumtemperatur, und/oder einen Lithium-Argyroditen, beispielsweise Li7PS6, Li6PS5Cl, Li6PS5l und/oder Li6PS5Br, zum Beispiel mit der Raumgruppe F -4 3 m, zum Beispiel mit einer Lithiumionenleitfähigkeit in einem Bereich von 10-3 bis 10-2 S/cm bei Raumtemperatur, umfassen oder sein.For example, the first sulfidic lithium ion conductor may be a binary, sulfidic lithium ion conductor, for example, glassy, amorphous Li 2 S / P 2 S 5 , for example, in a ratio in a range of ≥ 70/30 to ≤ 80/20, for example, with a lithium ion conductivity in a range of 10 -4 to 10 -3 S / cm at room temperature, and / or vitreous ceramic Li 2 S / P 2 S 5 with a crystalline portion, for example in the form of Li 7 P 3 S 11 , for example with a lithium ion conductivity in a range of 10 -3 to 10 -2 S / cm at room temperature, and / or an at least ternary sulfide lithium ion conductor, for example, with the space group P 4 2 / nmc, for example, Li 10 GeP 2 S 2 , Li 10 SnP 2 S 12 , Li 9.54 Si 1.74 P 1.44 S 11.7 Cl 0.3 and / or Li 9.6 P 3 S 12 , for example having a lithium ion conductivity in a range from 10 -3 to 10 -2 S / cm at room temperature, and / or a lithium argyrodite, for example Li 7 PS 6 , Li 6 PS 5 Cl, Li 6 hp 5 l and / or Li 6 hp 5 Br, for example with the space group F -4 3 m, for example with a lithium ion conductivity in a range from 10 -3 to 10 -2 S / cm at room temperature or his.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der erste sulfidische Lithiumionenleiter ein Lithium-Argyrodit.In another embodiment, the first sulfidic lithium ion conductor is a lithium argyrodite.

Unter Lithium-Argyroditen können insbesondere Verbindungen verstanden werden, welche sich von dem Mineral Argyrodit der allgemeinen chemischen Formel: Ag8GeS6 ableiten, wobei Silber (Ag) durch Lithium (Li) ersetzt ist und wobei insbesondere auch Germanium (Ge) teilweise oder vollständig und/oder Schwefel (S) teilweise durch andere Elemente, zum Beispiel der III., IV., V., VI. und/oder VII. Hauptgruppe, ersetzt sein können.By lithium argyrodites it is possible in particular to be understood as meaning compounds derived from the mineral argyrodite of the general chemical formula: Ag 8 GeS 6 , where silver (Ag) is replaced by lithium (Li) and in particular also germanium (Ge) is partially or completely and / or sulfur (S) in part by other elements, for example III., IV., V., VI. and / or VII. Main group, may be replaced.

Lithium-Argyrodite können vorteilhafterweise eine hohe chemische Stabilität gegenüber oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohen Energiedichten, wie oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohem Nickelanteil, zum Beispiel NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, aufweisen.Lithium argyrodites may advantageously have high chemical stability to high energy density cathode oxide active materials, such as high nickel oxide cathode oxide active materials, for example, NCM622 and / or NCM811 and / or NCA.

Zum Beispiel kann der erste sulfidische Lithiumionenleiter

  • - einen Lithium-Argyroditen der chemischen Formel: Li7PS6 und/oder
  • - mindestens einen Lithium-Argyroditen der allgemeinen chemischen Formel: Li6PS5X wobei X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I), steht, und/oder
  • - mindestens einen Lithium-Argyroditen der allgemeinen chemischen Formel: Li7-δBS6-δXδ wobei B für Phosphor (P) und/oder Arsen (As), X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I), steht und 0 ≤ δ ≤ 1
umfassen oder sein.For example, the first sulfidic lithium ion conductor
  • a lithium argyrodite of the chemical formula: Li 7 hp 6 and or
  • at least one lithium argyrodite of the general chemical formula: Li 6 PS 5 X where X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) and / or fluorine (F), for example X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) , stands, and / or
  • at least one lithium argyrodite of the general chemical formula: Li 7-δ BS 6-δ X δ where B is phosphorus (P) and / or arsenic (As), X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) and / or fluorine (F), for example X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I), and 0 ≤ δ ≤ 1
include or be.

Beispielsweise kann der erste sulfidische Lithiumionenleiter einen Lithium-Argyroditen der chemischen Formel: Li7PS6, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5l, Li7-δPS6-δ Clδ, Li7-δPS6-δBrδ und/oder Li7-δPS6-δlδ umfassen oder sein.For example, the first sulfidic lithium ion conductor, a lithium argyrodite of the chemical formula: Li 7 PS 6 , Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 l, Li 7-δ PS 6-δ Cl δ , Li 7 -δ PS 6-δ Br δ and / or Li 7-δ PS 6-δ l δ include or be.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist der erste sulfidische Lithiumionenleiter ein zumindest ternärer, insbesondere ternärer oder quaternärer oder mehr Elemente umfassender, sulfidischer Lithiumionenleiter. Ternäre und höhere sulfidische Lithiumionenleiter, beispielsweise ternäre oder quaternäre oder mehr Elemente umfassende sulfidische Lithiumionenleiter, können vorteilhafterweise eine besonders hohe chemische Stabilität gegenüber oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohen Energiedichten, wie oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohem Nickelanteil, zum Beispiel NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, aufweisen.In one embodiment, the first sulfidic lithium ion conductor is a sulfide lithium ion conductor comprising at least ternary, in particular ternary or quaternary or more elements. Ternary and higher sulphide lithium ion conductors, for example ternary or quaternary or more elemental sulphide lithium ion conductors, may advantageously have a particularly high chemical stability to high energy density oxide cathode active materials, such as high nickel oxide cathode active materials, for example NCM622 and / or NCM811 and / or NCA. exhibit.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der erste sulfidische Lithiumionenleiter ein Lithium-Argyrodit und/oder ein Lithium-Phosphor-Sulfid, welcher beziehungsweise welches mindestens ein Halogenid, insbesondere Chlorid und/oder lodid und/oder Bromid, und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Silicium umfasst. Derartige Lithiumionenleiter können vorteilhafterweise geringe Übergangswiderstände und eine besonders hohe chemische Stabilität gegenüber oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohen Energiedichten, wie oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohem Nickelanteil, zum Beispiel NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, aufweisen.In a further embodiment, the first sulfidic lithium ion conductor is a lithium argyrodite and / or a lithium phosphorous sulfide, which or at least one halide, in particular chloride and / or iodide and / or bromide, and / or germanium and / or tin and / or silicon. Such lithium ion conductors may advantageously have low contact resistances and a particularly high chemical stability to high energy density cathode oxide active materials, such as high nickel oxide cathode active materials, for example NCM622 and / or NCM811 and / or NCA.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Kathodenaktivmaterialpartikel weiterhin mit einer Zwischenschicht aus einem weiteren Lithiumionenleiter beschichtet. Dabei ist die Zwischenschicht wiederum mit der Beschichtung aus dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter beschichtet. Durch die Zwischenschicht können Übergangswiderstände zwischen dem Kathodenaktivmaterial und dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter verringert werden.In a further embodiment, the cathode active material particles are further coated with an intermediate layer of a further lithium ion conductor. Here, the intermediate layer is again with the coating of the coated first sulfidischen lithium ion conductor. Through the intermediate layer, contact resistances between the cathode active material and the first sulfided lithium ion conductor can be reduced.

Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst oder ist der weitere Lithiumionenleiter der Zwischenschicht ein Lithium-Borat, insbesondere Li3BO3 und/oder LiBO2, und/oder ein Lithium-Sulfat, beispielsweise Li2SO4, und/oder ein Lithium-Wolframat, beispielsweise Li2WO4, und/oder ein Lithium-Molybdat, beispielsweise Li2MoO4. Derartige Lithiumionenleiter haben sich zur Reduzierung von Übergangswiderständen als besonders vorteilhaft erwiesen.Within the scope of an embodiment of this embodiment, the further lithium ion conductor of the intermediate layer comprises or is a lithium borate, in particular Li 3 BO 3 and / or LiBO 2 , and / or a lithium sulfate, for example Li 2 SO 4 , and / or a lithium Tungstate, for example Li 2 WO 4 , and / or a lithium molybdate, for example Li 2 MoO 4 . Such lithium ion conductors have proven to be particularly advantageous for reducing contact resistance.

Die Kathode kann weiterhin mit einem Kathodenstromleiter ausgestattet sein.The cathode may further be equipped with a cathode current conductor.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathode durch ein im Folgenden erläutertes Verfahren hergestellt.In the context of a further embodiment, the cathode is produced by a method explained below.

Mit binären oder zumindest ternären, sulfidischen Lithiumionenleitern beschichtete Kathodenaktivmaterialpartikel können beispielsweise mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) (Englisch: scanning electron microscope, (SEM)), insbesondere mit Elementarverteilung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), nachgewiesen werden.For example, cathode active material particles coated with binary or at least ternary sulphide lithium-ion conductors can be detected by scanning electron microscopy (SEM), in particular with elemental distribution by means of energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the cathode according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention and the lithium cell according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode, insbesondere einer erfindungsgemäßen Kathode, in dem in einem Verfahrensschritt

  1. a) Kathodenaktivmaterialpartikel mit einem beziehungsweise dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter in Form eines binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiters, beispielsweise nasschemisch und/oder mittels Gasphasenabscheidung, beschichtet werden, und
  2. b) die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel mit einem beziehungsweise dem zweiten, insbesondere vom ersten unterschiedlichen, sulfidischen Lithiumionenleiter in Form eines binären sulfidischen Lithiumionenleiters gemischt werden und beispielsweise zu einer Kathode verarbeitet werden.
Another object of the present invention is a process for producing a cathode, in particular a cathode according to the invention, in which in one process step
  1. a) cathode active material particles are coated with a first or the first sulfidic lithium ion conductor in the form of a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor, for example wet-chemically and / or by means of vapor deposition, and
  2. b) the coated cathode active material particles are mixed with one or the second, in particular different from the first, sulfide lithium ion conductor in the form of a binary sulfide lithium ion conductor and are processed, for example, to a cathode.

Das Beschichten mittels Gasphasenabscheidung kann beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung und/oder Atomlagenabscheidung erfolgen.The coating by means of vapor deposition can be carried out, for example, by means of physical vapor deposition and / or atomic layer deposition.

Im Rahmen einer Ausführungsform werden in Verfahrensschritt a) die Kathodenaktivmaterialpartikel zunächst mit einer Zwischenschicht aus einem beziehungsweise dem weiteren Lithiumionenleiter und dann die mit der Zwischenschicht beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel mit dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter beschichtet.In an embodiment, in method step a), the cathode active material particles are first coated with an intermediate layer of one or the further lithium ion conductor and then the cathode active material particles coated with the intermediate layer are coated with the first sulfide lithium ion conductor.

Der erste sulfidische Lithiumionenleiter, der zweite sulfidische Lithiumionenleiter und der weitere Lithiumionenleiter können insbesondere wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode erläutert ausgestaltet werden.The first sulfide lithium ion conductor, the second sulfide lithium ion conductor and the further lithium ion conductor can in particular be designed as explained in connection with the cathode according to the invention.

Mit der Mischung aus Verfahrensschritt b) kann zum Beispiel ein Kathodenstromleiter und/oder ein Separator beschichtet werden.For example, a cathode current conductor and / or a separator can be coated with the mixture from process step b).

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention and the lithium cell according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Zelle, welche eine Kathode, eine Anode und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Separator umfasst, wobei die Kathode eine erfindungsgemäße Kathode und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.Furthermore, the invention relates to a lithium cell, which comprises a cathode, an anode and a separator arranged between the cathode and the anode, wherein the cathode is a cathode according to the invention and / or produced by a method according to the invention.

Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Anode eine Lithiummetallanode.In one embodiment, the anode is a lithium metal anode.

Unter einer Lithiummetallanode kann insbesondere eine Anode verstanden werden, welche metallisches Lithium umfasst oder daraus ausgebildet ist.A lithium metal anode can in particular be understood to mean an anode which comprises or is formed from metallic lithium.

Durch die Verwendung einer Lithiummetallanode kann vorteilhafterweise eine hohe Energiedichte erzielt werden.By using a lithium metal anode, a high energy density can advantageously be achieved.

Beispielsweise kann die Lithiummetallanode aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung, beispielsweise einer Lithium-Magnesium-Legierung, zum Beispiel in Form einer Folie, wie einer Lithiumfolie, oder einer Beschichtung, wie einer Lithiumbeschichtung, beispielsweise auf einem metallischen Substrat, zum Beispiel aus Kupfer und/oder Nickel, ausgebildet sein.For example, the lithium metal anode can be made of metallic lithium or a lithium alloy, for example a lithium-magnesium alloy, for example in the form of a foil, such as a lithium foil, or a coating, such as a lithium coating, for example on a metallic substrate, for example copper and / or or nickel, be formed.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Separator ein Festelektrolytseparator.In another embodiment, the separator is a solid electrolyte separator.

Beispielsweise kann der Separator einen binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter und/oder einen oxidischen Lithiumionenleiter, zum Beispiel mit Granat-Struktur, und/oder einen Polymerelektrolyten, zum Beispiel auf Basis von Polyethylenoxid (PEO), beispielsweise in Form eines Block-Co-Polymers, umfassen oder daraus ausgebildet ist. For example, the separator may comprise a binary or at least ternary sulphide lithium ion conductor and / or a lithium oxide ionic conductor, for example with a garnet structure, and / or a polymer electrolyte, for example based on polyethylene oxide (PEO), for example in the form of a block co-polymer , include or formed from.

Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst der Separator einen binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter, beispielsweise einen Lithium-Argyroditen und/oder ein Lithium-Phosphor-Sulfid, oder ist daraus ausgebildet.Within the scope of an embodiment, the separator comprises or is formed from a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor, for example a lithium argyrodite and / or a lithium phosphorous sulfide.

Zum Beispiel kann der Separator

  • - einen Lithium-Argyroditen der chemischen Formel: Li7PS6 und/oder
  • - mindestens einen Lithium-Argyroditen der allgemeinen chemischen Formel: Li6PS5X wobei X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I), steht, und/oder
  • - mindestens einen Lithium-Argyroditen der allgemeinen chemischen Formel: Li7-δBS6-δXδ wobei B für Phosphor (P) und/oder Arsen (As), X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder Iod (I) und/oder Fluor (F), beispielsweise X für Chlor (Cl) und/oder Brom (Br) und/oder lod (I), steht und 0 ≤ δ ≤ 1
umfassen oder daraus ausgebildet sein.For example, the separator
  • a lithium argyrodite of the chemical formula: Li 7 hp 6 and or
  • at least one lithium argyrodite of the general chemical formula: Li 6 PS 5 X where X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) and / or fluorine (F), for example X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) , stands, and / or
  • at least one lithium argyrodite of the general chemical formula: Li 7-δ BS 6-δ X δ where B is phosphorus (P) and / or arsenic (As), X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I) and / or fluorine (F), for example X is chlorine (Cl) and / or bromine (Br) and / or iodine (I), and 0 ≤ δ ≤ 1
include or be formed from.

Beispielsweise kann der Separator einen Lithium-Argyroditen der chemischen Formel: Li7PS6, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5l, Li7-δPS6-δClδ, Li7-δPS6-δBrδ und/oder Li7-δPS6-δlδ umfassen oder sein.For example, the separator may have a lithium argyrodite of the chemical formula: Li 7 PS 6 , Li 6 PS 5 Cl, Li 6 PS 5 Br, Li 6 PS 5 L, Li 7-δ PS 6-δ Cl δ , Li 7-δ PS 6-δ Br δ and / or Li 7-δ PS 6-δ l δ include or be.

Insbesondere kann der Separator einen zumindest ternären, insbesondere ternären oder quaternären oder mehr Elemente umfassenden, sulfidischen Lithiumionenleiter umfassen oder daraus ausgebildet sein.In particular, the separator can comprise or be formed from an at least ternary, in particular ternary or quaternary or more elements, sulfidic lithium ion conductor.

Beispielsweise kann der Separator einen Lithium-Argyroditen und/oder ein Lithium-Phosphor-Sulfid, zum Beispiel welcher beziehungsweise welches mindestens ein Halogenid, insbesondere Chlorid und/oder lodid und/oder Bromid, und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Silicium umfasst, umfassen oder daraus ausgebildet sein.By way of example, the separator may comprise a lithium argyrodite and / or a lithium phosphorous sulfide, for example which or at least one halide, in particular chloride and / or iodide and / or bromide, and / or germanium and / or tin and / or silicon includes, include or be formed from.

Derartige Lithiumionenleiter können vorteilhafterweise eine besonders hohe chemische Stabilität gegenüber oxidischen Kathodenaktivmaterialien mit hohen Energiedichten, wie oxidische Kathodenaktivmaterialien mit hohem Nickelanteil, zum Beispiel NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, und auch gegenüber Lithium aufweisen.Such lithium ion conductors may advantageously have particularly high chemical stability to high energy density cathode oxide active materials, such as high nickel oxide cathode active materials, for example, NCM622 and / or NCM811 and / or NCA, and also lithium.

Im Rahmen einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung umfasst der Separator einen Polymerelektrolyten, zum Beispiel auf Basis von Polyethylenoxid (PEO), beispielsweise in Form eines Block-Co-Polymers, zum Beispiel eines Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Co-Polymers, oder ist daraus ausgebildet.In another, alternative or additional embodiment, the separator comprises a polymer electrolyte, for example based on polyethylene oxide (PEO), for example in the form of a block co-polymer, for example a polyethylene oxide-polystyrene block co-polymer, or formed out of it.

Darüber hinaus kann die Kathode einem Kathodenstromleiter und/oder die Anode mit einem Anodenstromleiter ausgestattet sein.In addition, the cathode can be equipped with a cathode current conductor and / or the anode with an anode current conductor.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the lithium cell according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the cathode according to the invention and the lithium cell according to the invention and to the figures and the description of the figures.

Figurenlistelist of figures

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lithium-Zelle mit einer erfindungsgemäßen Kathode, und
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine spezielle Ausführungsform eines beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikels.
Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
  • 1 a schematic cross section through an embodiment of a lithium cell according to the invention with a cathode according to the invention, and
  • 2 a schematic cross section through a specific embodiment of a coated cathode active material particle.

1 zeigt, dass die Lithium-Zelle 1 eine Kathode 10, eine Anode 20 und einen zwischen der Kathode 10 und der Anode 20 angeordneten Separator 30 aufweist. 1 shows that the lithium cell 1 a cathode 10 , an anode 20 and one between the cathode 10 and the anode 20 arranged separator 30 having.

Dabei umfasst die Kathode 10 Kathodenaktivmaterialpartikel 11, welche 11 mit einem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter 12 beschichtet sind. Die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel 11,12 sind dabei in einen zweiten, insbesondere vom ersten unterschiedlichen, sulfidischen Lithiumionenleiter 13 eingebettet, welcher 13 ein binärer sulfidischer Lithiumionenleiter, insbesondere auf Basis von Li2S/P2S5, ist. Der erste sulfidische Lithiumionenleiter 12 ist dabei ein binärer oder zumindest ternärer sulfidischer Lithiumionenleiter, zum Beispiel ein Lithium-Argyrodit und/oder ein Lithium-Phosphor-Sulfid, welcher beziehungsweise welches weiterhin mindestens ein Halogenid, beispielsweise Chlorid und/oder lodid und/oder Bromid, und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Silicium umfasst. Die Kathodenaktivmaterialpartikel 11 können insbesondere aus einem oxidischen Kathodenaktivmaterial, beispielsweise Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid, insbesondere mit einem hohen Nickelanteil, wie NCM622 und/oder NCM811 und/oder NCA, ausgebildet sein.In this case, the cathode comprises 10 Cathode active material particles 11 which 11 with a first sulfidic lithium ion conductor 12 are coated. The coated cathode active material particles 11, 12 are in a second, especially from the first different, sulfidic lithium ion conductor 13 embedded, which 13 is a binary sulfidic lithium ion conductor, in particular based on Li 2 S / P 2 S 5 , is. The first sulfidic lithium ion conductor 12 is a binary or at least ternary sulfidic lithium ion conductor, for example a lithium argyrodite and / or a lithium phosphorous sulfide, which or which further at least one halide, for example chloride and / or iodide and / or bromide, and / or germanium and or tin and / or silicon. The cathode active material particles 11 may in particular be formed from an oxide cathode active material, for example nickel-cobalt-manganese oxide and / or nickel-cobalt-aluminum oxide, in particular with a high nickel content, such as NCM622 and / or NCM811 and / or NCA.

Die Anode 20 ist insbesondere eine Lithiummetallanode, beispielsweise aus metallischem Lithium oder einer Lithiumlegierung.The anode 20 is in particular a lithium metal anode, for example of metallic lithium or a lithium alloy.

Bei dem Separator 30 handelt es sich um einen Festelektrolytseparator, zum Beispiel aus einem binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter und/oder einem oxidischen Lithiumionenleiter und/oder einem Polymerelektrolyten, zum Beispiel auf Basis von Polyethylenoxid (PEO), beispielsweise in Form eines Block-Co-Polymers.In the separator 30 it is a Festelektrolytseparator, for example, a binary or at least ternary sulfidic lithium ion conductor and / or a lithium oxide ionic conductor and / or a polymer electrolyte, for example based on polyethylene oxide (PEO), for example in the form of a block co-polymer.

1 zeigt weiterhin, dass die Kathode 10 mit einem Kathodenstromleiter 40 und die Anode 20 mit einem Anodenstromleiter 50 ausgestattet ist. 1 further shows that the cathode 10 with a cathode current conductor 40 and the anode 20 with an anode current conductor 50 Is provided.

2 zeigt, dass im Rahmen einer speziellen Ausführungsform die Kathodenaktivmaterialpartikel 11 weiterhin mit einer Zwischenschicht 12' aus einem weiteren Lithiumionenleiter 12', beispielsweise Li3BO3, LiBO2, Li2SO4, Li2WO4 und/oder Li2MoO4, beschichtet sein können, wobei die Zwischenschicht 12' dann wiederum mit der Beschichtung 12 aus dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter 12 beschichtet ist. 2 shows that in a specific embodiment, the cathode active material particles 11 continue with an intermediate layer 12 ' from another lithium ion conductor 12 ' For example, Li 3 BO 3 , LiBO 2 , Li 2 SO 4 , Li 2 WO 4 and / or Li 2 MoO 4 may be coated, wherein the intermediate layer 12 ' then again with the coating 12 is coated from the first sulfidic lithium ion conductor 12.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2014/0287324 A1 [0003]US 2014/0287324 A1 [0003]
  • US 2014/0057180 A1 [0004]US 2014/0057180 A1 [0004]

Claims (15)

Kathode (10) für eine Lithium-Zelle (1), umfassend Kathodenaktivmaterialpartikel (11), welche (11) zumindest mit einem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter (12) beschichtet sind, wobei die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel (11,12) in einen zweiten, vom ersten unterschiedlichen sulfidischen Lithiumionenleiter (13) eingebettet sind, wobei der zweite sulfidische Lithiumionenleiter (13) ein binärer sulfidischer Lithiumionenleiter ist.A cathode (10) for a lithium cell (1) comprising cathode active material particles (11) coated (11) at least with a first sulfidic lithium ion conductor (12), wherein the coated cathode active material particles (11, 12) are separated into a second, from the first embedded in different sulfide lithium ion conductors (13), wherein the second sulfide lithium ion conductor (13) is a binary sulfide lithium ion conductor. Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei der zweite sulfidische Lithiumionenleiter (13) ein glasartiger und/oder keramischer, binärer sulfidischer Lithiumionenleiter auf Basis von Li2S/P2S5 ist.Cathode (10) after Claim 1 wherein the second sulfide lithium ion conductor (13) is a vitreous and / or ceramic binary sulfide lithium ion conductor based on Li 2 S / P 2 S 5 . Kathode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste sulfidische Lithiumionenleiter (12) ein binärer oder zumindest ternärer sulfidischer Lithiumionenleiter (12) ist.Cathode (10) after Claim 1 or 2 wherein the first sulfide lithium ion conductor (12) is a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor (12). Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste sulfidische Lithiumionenleiter (12) ein Lithium-Argyrodit und/oder ein Lithium-Phosphor-Sulfid ist, insbesondere welcher beziehungsweise welches mindestens ein Halogenid, insbesondere Chlorid und/oder lodid und/oder Bromid, und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Silicium umfasst.Cathode (10) after one of Claims 1 to 3 in which the first sulfidic lithium ion conductor (12) is a lithium argyrodite and / or a lithium phosphorous sulfide, in particular which or at least one halide, in particular chloride and / or iodide and / or bromide, and / or germanium and / or Tin and / or silicon. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste sulfidische Lithiumionenleiter (12) ein zumindest ternärer, insbesondere ein ternärer oder quaternärer oder mehr Elemente umfassender, sulfidischer Lithiumionenleiter ist.Cathode (10) after one of Claims 1 to 4 wherein the first sulfidic lithium ion conductor (12) is an at least ternary, in particular a ternary or quaternary or more elements comprehensive, sulphidic lithium ion conductor. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kathodenaktivmaterialpartikel (11) weiterhin mit einer Zwischenschicht (12') aus einem weiteren Lithiumionenleiter (12') beschichtet sind, wobei die Zwischenschicht (12') wiederum mit der Beschichtung (12) aus dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter (12) beschichtet ist.Cathode (10) after one of Claims 1 to 5 in that the cathode active material particles (11) are further coated with an intermediate layer (12 ') of a further lithium ion conductor (12'), the intermediate layer (12 ') in turn being coated with the coating (12) of the first sulfide lithium ion conductor (12) , Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der weitere Lithiumionenleiter (12') der Zwischenschicht (12') ein Lithium-Borat, insbesondere Li3BO3 und/oder LiBO2, und/oder ein Lithium-Sulfat, insbesondere Li2SO4, und/oder ein Lithium-Wolframat, insbesondere Li2WO4, und/oder ein Lithium-Molybdat, insbesondere Li2MoO4, umfasst.Cathode (10) after one of Claims 1 to 6 wherein the further lithium ion conductor (12 ') of the intermediate layer (12') is a lithium borate, in particular Li 3 BO 3 and / or LiBO 2 , and / or a lithium sulfate, in particular Li 2 SO 4 , and / or a lithium Tungstate, in particular Li 2 WO 4 , and / or a lithium molybdate, in particular Li 2 MoO 4 . Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathodenaktivmaterialpartikel (11) Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid und/oder Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid umfassen.Cathode (10) after one of Claims 1 to 7 wherein the cathode active material particles (11) comprise nickel-cobalt-manganese-oxide and / or nickel-cobalt-aluminum-oxide. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kathode (10) durch ein Verfahren nach Anspruch 10 hergestellt ist.Cathode (10) after one of Claims 1 to 8th , wherein the cathode (10) by a method according to Claim 10 is made. Verfahren zur Herstellung einer Kathode (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem in einem Verfahrensschritt: a) Kathodenaktivmaterialpartikel (11) mit einem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter (12) in Form eines binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiters (12), insbesondere nasschemisch und/oder mittels Gasphasenabscheidung, beschichtet werden, und b) die beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel (11) mit einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen sulfidischen Lithiumionenleiter (13) in Form eines binären sulfidischen Lithiumionenleiters (13) gemischt werden.Method for producing a cathode (10), in particular according to one of the Claims 1 to 9 in which in one process step: a) cathode active material particles (11) are coated with a first sulfide lithium ion conductor (12) in the form of a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor (12), in particular wet-chemically and / or by means of vapor deposition, and b) the coated ones Cathode active material particles (11) are mixed with a second, different from the first sulfide lithium ion conductor (13) in the form of a binary sulfide lithium ion conductor (13). Verfahren zur Herstellung einer Kathode (10) nach Anspruch 10, wobei in Verfahrensschritt a) die Kathodenaktivmaterialpartikel (11) zunächst mit einer Zwischenschicht (12') aus einem weiteren Lithiumionenleiter (12') und dann die mit der Zwischenschicht (12') beschichteten Kathodenaktivmaterialpartikel (11,12') mit dem ersten sulfidischen Lithiumionenleiter (12) beschichtet werden.Method for producing a cathode (10) according to Claim 10 , wherein in step a) the cathode active material particles (11) first with an intermediate layer (12 ') of a further lithium ion conductor (12') and then with the intermediate layer (12 ') coated cathode active material particles (11,12') with the first sulfide lithium ion conductor (12) are coated. Lithium-Zelle (1), umfassend eine Kathode (10), eine Anode (20) und einen zwischen der Kathode (10) und der Anode (20) angeordneten Separator (30), wobei die Kathode (10) eine Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist und/oder durch ein Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 hergestellt ist.A lithium cell (1) comprising a cathode (10), an anode (20) and a separator (30) arranged between the cathode (10) and the anode (20), the cathode (10) having a cathode (10). after one of the Claims 1 to 9 is and / or by a method according to Claim 10 or 11 is made. Lithium-Zelle (1) nach Anspruch 12, wobei die Anode (20) eine Lithiummetallanode ist.Lithium cell (1) after Claim 12 wherein the anode (20) is a lithium metal anode. Lithium-Zelle (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Separator (30) ein Festelektrolytseparator ist.Lithium cell (1) after Claim 12 or 13 wherein the separator (30) is a solid electrolyte separator. Lithium-Zelle (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Separator (30) einen binären oder zumindest ternären sulfidischen Lithiumionenleiter und/oder einen oxidischen Lithiumionenleiter und/oder einen Polymerelektrolyten umfasst.Lithium cell (1) according to one of Claims 12 to 14 wherein the separator (30) comprises a binary or at least ternary sulfide lithium ion conductor and / or a lithium oxide ionic conductor and / or a polymer electrolyte.
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