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Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen galvanischen Elements, wobei das galvanische Element eine Anode, einen der Anode zugeordneten Stromableiter, einen Separator, eine Kathode sowie einen der Kathode zugeordneten Stromableiter umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelle umfassend ein solches galvanisches Element sowie eine Batterie umfassend mehrere solcher Batteriezellen.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich unter anderem durch eine sehr hohe spezifische Energie und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), wobei während des Ladens und Entladens der Batterie Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen Elektrode wandern. Für den Transport der Lithium-Ionen ist ein sogenannter Lithium-Ionen-Leiter notwendig. Bei den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zellen, die beispielsweise im Consumer-Bereich (Mobiltelefon, MP3 Player, usw.) oder als Energiespeicher in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Lithium-Ionen-Leiter ein Flüssig-Elektrolyt, welcher häufig das Lithium-Leitsalz Lithium-HexaFluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösemitteln gelöst enthält. Eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst die Elektroden, den Lithium-Ionen-Leiter sowie Stromableiter, die die elektrischen Anschlüsse herstellen. Die Stromableiter können auch als Stromsammler bezeichnet werden. Die Stromableiter sind üblicherweise als Kupferfolien beziehungsweise Aluminiumfolien ausgeführt.
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Die Lithium-Ionen-Zellen können in einer Verpackung eingeschlossen sein. Als Verpackung kommen beispielsweise Aluminium-Verbundfolien zum Einsatz. So verpackte Zellen werden wegen ihrer weichen Verpackung auch als Pouch bzw. Softpack bezeichnet. Neben dem Softpack-Verpackungsdesign kommen als Verpackungen auch feste Metallgehäuse zum Einsatz, zum Beispiel in Form von tiefgezogenen oder fließgepressten Gehäuseteilen. In diesem Fall spricht man von festem Gehäuse oder Hardcase.
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Bei Lithium-Ionen-Zellen mit Flüssig-Elektrolyt kann sich bei mechanischem und thermischem Stress die Flüssig-Elektrolyt-Komponente zersetzen und ein Überdruck kann in der Zelle entstehen. Ohne entsprechende Schutzmaßnahmen kann dies zum Bersten oder sogar zum Brennen der Zelle führen. Bei der Verwendung von festen keramischen bzw. anorganischen Lithium-Ionen-Leitern anstelle eines flüssigen Elektrolyten kann das Bersten der Batteriezelle oder ein Auslaufen von Stoffen bei Beschädigung der Verpackung vermieden werden.
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Aus der
WO 2015/165701 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines galvanischen Elements bekannt, wobei eine Schichtfolge hergestellt wird, die Stromableiter, einen Ionen-leitenden und elektrisch isolierenden Separator und eine Kathode umfasst. Als Stromableiter sind Metallfolien beschrieben.
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Aus der
US 2015/0010788 A1 sind elektrochemische Systeme und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei Kohlenstoffnanoröhren-/Graphen-Hybridstrukturen in separatorfreien Silizium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden. Aktivmaterial der Anode und Aktivmaterial der Kathode wird von einer Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren gestützt um große Volumenänderungen des Siliziums und des Schwefels beim Lade- und Entladevorgang aufzufangen. Die Elektroden, umfassend das Aktivmaterial und die Anordnung von Kohlenstoffnanoröhren, sind in elektrischem Kontakt mit Stromableitern angeordnet.
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DE 10 2014 208 228 A bezieht sich auf ein galvanisches Element und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Zunächst erfolgt die Herstellung einer Schichtfolge umfassend in dieser Reihenfolge einen einer Anode zugeordneten Stromableiter, einen Ionen-leitenden und elektrisch isolierenden Separator, eine Katode mit Lithium enthaltendem Katodenmaterial und einen der Katode zugeordneten Stromableiter sowie das Aufladen des galvanischen Elementes. Beim Aufladen des galvanischen Elementes bildet sich zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter und dem Separator eine Anode umfassend metallisches Lithium.
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Nachteilig an der Verwendung von Stromableitern in Form von Metallfolien wie Kupferfolien oder Aluminiumfolien ist, dass eine Herstellung und Handhabung von Stromableitern mit sehr geringer Schichtdicke erschwert ist.
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Es ist möglich, anstelle von Metallfolien Faserstrukturen umfassend Kohlenstoffnanoröhren als Stromableiter zu verwenden, wodurch die genannten Nachteile vermieden werden und eine höhere volumetrische und gravimetrische Energiedichte erzielt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein galvanisches Element vorgeschlagen umfassend eine Schichtfolge in dieser Reihenfolge:
- - einen einer Anode zugeordneten Stromableiter,
- - die Anode,
- - einen Ionen-leitenden und elektrisch isolierenden Separator, wobei das Material des Separators bevorzugt ein Festkörperionenleiter, insbesondere ein Lithium-leitender Granat oder ein sulfidischer lonenleiter ist,
- - eine Kathode mit Lithium enthaltendem Kathodenmaterial und
- - einen der Kathode zugeordneten Stromableiter,
wobei der der Anode zugeordnete Stromableiter eine erste Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren umfasst und/oder der der Kathode zugeordnete Stromableiter eine zweite Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren umfasst.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines galvanischen Elements vorgeschlagen umfassend die Schritte:
- a) Herstellen einer Schichtfolge umfassend in dieser Reihenfolge einen einer Anode zugeordneten Stromableiter, einen Ionen-leitenden und elektrisch isolierenden Separator, eine Kathode mit Lithium enthaltendem Kathodenmaterial und einen der Kathode zugeordneten Stromableiter, und
- b) Aufladen des galvanischen Elements, wobei sich beim Aufladen des galvanischen Elements zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter und dem Separator eine Anode umfassend metallisches Lithium ausbildet,
wobei der der Anode zugeordnete Stromableiter eine erste Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren umfasst und/oder der der Kathode zugeordnete Stromableiter eine zweite Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren umfasst.
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Die Schichtfolge kann beispielsweise hergestellt werden, indem in einem ersten Schritt i) der der Anode zugeordnete Stromableiter bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt ii) wird auf dem der Anode zugeordneten Stromableiter der Ionen-leitende und elektrisch isolierende Separator aufgebracht. In einem dritten Schritt iii) wird die Kathode mit Lithium enthaltendem Kathodenmaterial auf den Separator aufgebracht. In einem vierten Schritt iv) wird dann der der Kathode zugeordnete Stromableiter auf der Kathode angeordnet.
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Im ersten Schritt i) der Herstellung der Schichtfolge wird der der Anode zugeordnete Stromableiter bereitgestellt. Die der Anode zugewandte Seite des Stromableiters kann einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um eine Reaktion mit metallischem Lithium zu unterbinden. Die Oberflächenbehandlung ist beispielsweise eine Beschichtung von Metallen, insbesondere Cu oder Ni oder einer Legierung daraus.
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Die erste Faserstruktur und/oder die zweite Faserstruktur umfassen jeweils bevorzugt ein Gewebe, ein Gestrick, ein Gelege oder ein Vlies. Bevorzugt umfasst sowohl der der Anode zugeordnete Stromableiter als auch der der Kathode zugeordnete Stromableiter jeweils eine Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren. Der Aufbau der ersten Faserstruktur kann dem Aufbau der zweiten Faserstruktur entsprechen oder der Aufbau der ersten Faserstruktur kann vom Aufbau der zweiten Faserstruktur verschieden sein. Bevorzugt weist die erste Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren eine erste Beschichtung enthaltend Kupfer auf. Der Kupferanteil ergibt sich aus der Schichtdicke, als Beispiel sei eine Schichtdicke der Faserstruktur zwischen 3 µm bis 5 µm und eine Kupferschichtdicke von 1 µm bis 2 µm genannt. Weiterhin bevorzugt weist die erste Beschichtung eine erste Schichtdicke in einem Bereich von 0.1 µm bis 3 µm, insbesondere 1 µm auf. Die erste Beschichtung kann beispielsweise durch ein Vakuum-Verfahren aufgebracht werden. Durch die erste Beschichtung wird ein Eindringen von Lithium in die erste Faserstruktur beim Ladevorgang des galvanischen Elements vermieden. Darüber hinaus dient die erste Beschichtung der Homogenisierung der Oberfläche des der Anode zugeordneten Stromableiters.
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Ferner kann die erste Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren eine zweite Beschichtung enthaltend Lithium aufweisen. Die zweite Beschichtung enthält zu 100 % Lithium. Die zweite Beschichtung weist bevorzugt eine zweite Schichtdicke in einem Bereich von 0.01 µm bis 5 µm, insbesondere 0,5 µm auf und wird beispielsweise durch Abscheiden aufgebracht. Die zweite Beschichtung ist vorteilhaft, da die zweite Beschichtung als Reservoir für Lithium dienen kann, so dass Lithium vorgehalten wird und die Lebensdauer des galvanischen Elements erhöht wird. Die Reihenfolge lautet: Zunächst wird die Faserstruktur mit einer ersten Beschichtung, beispielsweise das oben genannte Kupferl versehen, wonach als zweite Beschichtung Lithium aufgebracht.
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Weiterhin besteht der der Anode zugeordnete Stromableiter bevorzugt aus der ersten Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren und gegebenenfalls der ersten Beschichtung und/oder der zweiten Beschichtung.
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Im zweiten Schritt ii) der Herstellung der Schichtfolge wird der Ionen-leitende und elektrisch isolierende Separator auf den der Anode zugeordneten Stromableiter in Form einer Schicht aufgetragen. Die Schicht wird bevorzugt geschlossen ausgeführt. Vorteilhaft wird der Separator mittels Aerosolbeschichtung oder Laserstrahlverdampfen aufgebracht.
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Das Material des Separators ist bevorzugt ein keramisches Material, welches in einer Ausführungsform in Form eines keramischen Pulvers mittels Aerosolbeschichtung aufgebracht wird. Ein geeignetes Verfahren kann beispielsweise der
DE 10 2012 205 931 A1 entnommen werden. Auch ist es denkbar, dem Fachmann bekannte andere Beschichtungsverfahren einzusetzen, wie z.B. PLD (Pulsed Laser Depositioning, Laserstrahlverdampfen) oder ähnliche Gasphasenbeschichtungsmethoden. Der auf diese Weise hergestellte Separator weist eine Restporosität von weniger als 5% auf. Der Separator weist keine durchgehende Porosität auf und ist somit vollkommen dicht. Bevorzugt wird die dichte Separatorschicht mit einer Dicke von 5 µm bis 25 µm ausgeführt, besonders bevorzugt wird eine Dicke im Bereich von 8 µm bis 15 µm.
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Das Material des Separators ist bevorzugt eine Lithium-leitende Keramik. Insbesondere ist als Material für den Separator Lithium-Granat geeignet. Alternativ kann das Material des Separators ausgewählt sein aus Perovskiten (LLTO) Li3xLa2/3-xTiO3, Phosphaten (LATP) Li1+xTi2-xMx(PO4)3 (wobei M=Al, Ga, In oder Sc), sulfidischen Gläsern enthaltend Li2S und P2S5 sowie Dotierelemente wie Ge und Sn und Argyrodite Li6PS5X (wobei X = I, Cl oder Br).
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Im dritten Schritt iii) der Herstellung der Schichtfolge wird auf den Separator eine Kathode in Form einer Schicht aus einem Lithium enthaltendem Kathodenmaterial aufgebracht. Das Kathodenmaterial kann beispielsweise zu einer Paste oder zu einem Schlicker aufbereitet werden, die auf den Separator aufgetragen werden. Auch andere dem Fachmann bekannte Beschichtungsverfahren können verwendet werden, so das zuvor erwähnte Aerosolabscheideverfahren.
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Das Kathodenmaterial ist bevorzugt eine Mischung aus einem gegebenenfalls prälithiierten Kathodenaktivmaterial, einem elektrisch leitfähigen Material und einem ionisch leitfähigen Katholyten. Das Kathodenaktivmaterial kann in einer bevorzugten Ausführungsform als ein Kompositwerkstoff mit Kohlenstoff vorliegen, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
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Der Kompositwerkstoff umfasst in einer Ausführungsform eine Mischung aus Schwefelpartikeln als Aktivmaterial, Graphit und Leitruß um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und ggf. einem Binder wie z. B. PVDF (Polyvinylidenfluorid). In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kathodenaktivmaterial eine Mischung aus SPAN (Schwefelpolyacrylnitril), Graphit und/oder Leitruß und einem Lithium-ionenleitenden Polymer.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kompositwerkstoff eine Mischung von gegebenenfalls Kohlenstoff sowie Nanopartikeln von LiF und einem Metall, wie z.B. Fe, Cu, Ni.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kompositwerkstoff eine Mischung von gegebenenfalls Kohlenstoff sowie Nanopartikeln von Li2S und einem Metall, wie z.B. Fe, Cu, Ni.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Prälithiierung des Metalls bereits erfolgt und der Kompositwerkstoff besteht aus Kohlenstoff und einem Li-haltigen Metallhydrid, -sulfid, -fluorid oder -nitrid.
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Um eine Migration des Fluors und somit eine Reaktion mit dem Katholyt, eine Reaktion mit dem Stromableiter oder eine Reaktionen mit anderen Batteriekomponenten zu verhindern, ist der Kompositwerkstoff in bevorzugter Ausführung mit einem Coating versehen, z.B. aus Kohlenstoff oder einem Oxid (z.B. Al2O3) oder Fluorid (z.B. AlF3) oder Oxyflourid. Ein Coating kann auch die Diffusion von Polysulfiden in der schwefelhaltigen Ausführungsform verhindern.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus einem lithiiertem Übergangsmetalloxid, beispielsweise Li(NiCoMn)O2, LiMn2O4 (oder höherer Li-Gehalt), Li2MO3-LiMO2 (wobei M beispielsweise Ni, Co, Mn, Mo, Cr, Fe, Ru oder V ist), UMPO4 (wobei M beispielsweise Fe, Ni, Co oder Mn ist), Li(Ni0,5Mn1,5)O4 (oder höherer Li-Gehalt), LixV2O5, LiXV3O8 oder weitere dem Fachmann bekannte Kathodenmaterialien wie Borate, Phosphate, Fluorophosphate, Silicate.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Kathodenaktivmaterial ausgewählt aus einem lithiiertem Schwefel, beispielsweise Li2S, wobei das Material bevorzugt in einer Kohlenstoffverbundmatrix, beispielsweise in Form kleiner Kügelchen, eingekapselt ist, um eine Auflösung oder Nebenreaktionen mit dem Katholyt zu verhindern.
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In einer Ausführungsform ist der Katholyt ein Elektrolyt auf Poylethylenoxid (PEO)-Basis oder auf Soja-Basis.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, auch die für den Ionen-leitenden Separator verwendeten Materialien als Katholyt einzusetzen, da auch diese Materialien eine gute ionischen Leitfähigkeit aufweisen. Zusätzlich darf der Katholyt noch eine elektrische Leitfähigkeit haben, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss.
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In einer Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Material ausgewählt aus Kohlenstoff-Nanoröhren, einem Leitruß, Graphen, Graphit oder einer Kombination mindestens zweier dieser Materialien.
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Im vierten Schritt iv) der Herstellung der Schichtfolge wird der der Kathode zugeordnete Stromableiter auf die Kathode aufgebracht.
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Des Weiteren kann auch der der Kathode zugeordnete Stromableiter einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um Reaktionen zwischen den im galvanischen Element enthaltenen Materialien und dem Material des Stromableiters zu verhindern.
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Bevorzugt weist die zweite Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren, die von dem der Kathode zugeordneten Stromableiter umfasst ist, eine dritte Beschichtung enthaltend ein Metall, insbesondere ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Kupfer, Nickel und Mischungen daraus auf.
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Bevorzugt ist hier eine Aluminium-Metallschicht mit 100 % Aluminiumgehalt. Die Schichtdicke liegt auch hier zwischen 1 µm und 2µm.
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Der der Kathode zugeordnete Stromableiter besteht bevorzugt aus der zweiten Faserstruktur enthaltend Kohlenstoffnanoröhren und gegebenenfalls der dritten Beschichtung.
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Vorteilhaft weisen der der Anode zugeordnete Stromableiter und/oder der der Kathode zugeordneten Stromableiter jeweils eine Gesamtdicke von nicht mehr als 10 µm, bevorzugt nicht mehr als 6 µm, insbesondere nicht mehr als 5 µm auf.
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Bevorzugt werden die erste Faserstruktur und/oder die zweite Faserstruktur in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet. Die erste und zweite Faserstruktur werden in Rollenform bereits mit Metallbeschichtungen angeliefert. Anschließend erfolgt eine Abscheidung eines Separators, sodann das Abtrennen von Abschnitten der Faserstrukturen, woran sich eine Zellassemblierung anschließt.
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Je nach Ausführungsform können die Schritte i) bis iv) auch in anderer Reihenfolge ausgeführt werden. So ist es beispielsweise denkbar, die Schritte i) und ii) separat durchführen, parallel dazu einen der Kathode zugeordneten Stromableiter bereitzustellen, auf diesem die Kathode aufzubringen und anschließend beide Komponenten zusammenzufügen. Anschließend kann das Aufladen gemäß Schritt b) als letzten Schritt vollzogen werden.
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Im letzten Schritt b) des Verfahrens wird das im Schritt a) des Verfahrens erzeugte galvanische Element erstmalig elektrisch aufgeladen. Dabei wandern Lithium-Ionen aus dem Kathodenaktivmaterial in der Kathode durch den Ionenleitenden Separator hindurch und lagern sich in Form einer Schicht aus metallischem Lithium auf die dem Separator zugewandten Seite des der Anode zugeordneten Stromableiters ab. Dadurch wird eine Anode umfassend metallisches Lithium zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter und dem Separator ausgebildet.
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Des Weiteren wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, umfassend eine Zellverpackung und ein erfindungsgemäßes galvanisches Element. Bei der Zellverpackung kann es sich um ein Softpack-Verpackungsdesign oder um ein festes Gehäuse handeln.
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Zudem wird eine Batterie umfassend eine oder mehrere solcher Batteriezellen vorgeschlagen.
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Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff Batterie bzw. Batteriezelle wie in der Umgangssprache üblich verwendet, das heißt von dem Begriff Batterie ist sowohl eine Primärbatterie als auch eine Sekundärbatterie (Akkumulator) umfasst. Gleichermaßen umfasst der Begriff Batteriezelle sowohl eine Primärzelle als auch eine Sekundärzelle.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße galvanische Element besitzt eine erhöhte Energiedichte durch die Verwendung von Stromableitern umfassend Faserstrukturen, da diese mit einer reduzierten Schichtdicke hergestellt werden können. Weiterhin wird die Handhabung der Stromableiter mit geringer Schichtdicke verbessert, da die Faserstrukturen trotz geringer Schichtdicke im Rolle-zu-Rolle-Verfahren verarbeitet werden können.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich ein galvanisches Element mit hoher Kapazität und großer Energiedichte herstellen. Die hohe Kapazität wird durch die Verwendung einer metallischen Lithium-Anode erreicht. Diese hohe Energiedichte der Anode wird mit einem Ionen-leitenden Separator kombiniert, so dass auf flüssige Elektrolyte verzichtet werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Verwendung von Lithium-Granat als Ionen-leitender Separator vorgeschlagen, welcher eine besonders hohe lonenleitfähigkeit gewährleistet und somit neben der hohen Energiedichte auch eine hohe Leistungsfähigkeit des galvanischen Elements ermöglicht.
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Vorteilhafterweise ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren trotz der Verwendung einer auf metallischem Lithium basierenden Anode nicht erforderlich, während der Herstellung mit metallischem Lithium zu hantieren. Das Lithium wird bei der Herstellung des galvanischen Elements in Form eines lithiierten Kathodenaktivmaterials eingebracht, welches im Vergleich zu metallischem Lithium stabil und leichter handhabbar ist.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein galvanisches Element vor dem Aufladen gemäß Schritt b) und
- 2 ein galvanisches Element nach dem Aufladen gemäß Schritt b).
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1 zeigt ein galvanisches Element 10. In der in 1 dargestellten Situation wurde der Schritt a) des Verfahrens ausgeführt. Dabei wurden die Schritte i) bis iv) zur Herstellung der Schichtfolge durchlaufen. Als erstes wurde im Schritt i) ein der Anode zugeordneter Stromableiter 12 bereitgestellt. Dieser umfasst eine erste Faserstruktur 40 enthaltend Kohlenstoffnanoröhren. Die erste Faserstruktur 40 weist eine erste Beschichtung 44, die Kupfer enthält, und eine zweite Beschichtung 46, die Lithium enthält, auf. Auf dem der Anode zugeordneten Stromableiter 12 wurde im zweiten Schritt ii) ein Separator 16 aufgebracht, wobei sich zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter 12 und dem Separator 16 eine erste Grenzschicht 31 ausbildet. Als Ausgangsprodukt für den Separator 16 eignet sich ein keramisches Pulver, welches beispielsweise mittels Aerosolbeschichtung auf den der Anode zugeordneten Stromableiter 12 aufgetragen wird. Als keramisches Pulver ist insbesondere Lithium-Granat geeignet, welches eine gute Leitfähigkeit für Lithium-Ionen aufweist. Der Separator 16 ist nicht elektrisch leitfähig, so dass dieser auch die Funktion eines elektrischen Isolators übernimmt.
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Im dritten Schritt iii) wurde eine Kathode 18 auf den Separator 16 aufgebracht, wobei sich eine zweite Grenzschicht 32 ausbildet, die auf der der ersten Grenzschicht 31 abgewandten Seite des Separators 16 liegt. Die Kathode 18 umfasst ein Lithium-enthaltendes Kathodenmaterial, welches bevorzugt eine Mischung aus einem Kathodenaktivmaterial 20, einem leitfähigen Material und einem Katholyt umfasst. Das Kathodenmaterial kann mit den dem Fachmann bekannten Verfahren aufgetragen werden. Beispielsweise kann das Kathodenmaterial in Form einer Paste auf den Separator 16 aufgetragen werden.
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In Schritt iv) wurde ein der Kathode zugeordneter Stromableiter 22 auf die Kathode 18 aufgebracht, wobei sich eine dritte Grenzschicht 33 ausbildet, die auf der der zweiten Grenzschicht 32 abgewandten Seite der Kathode 18 liegt. Der der Kathode zugeordnete Stromableiter 22 umfasst eine zweite Faserstruktur 42 enthaltend Kohlenstoffnanoröhren und die zweite Faserstruktur 42 weist eine dritte Beschichtung 48 auf, die vorzugsweise Aluminium enthält. Die zweite Faserstruktur 42 kann beispielsweise durch Auflegen auf die Kathode 18 und anschließendem Verpressen mit dem Kathodenmaterial der Kathode 18 verbunden werden.
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Da das galvanische Element 10 in der in 1 dargestellten Situation noch nicht erstmalig aufgeladen wurde, weist dieses noch keine Anode 14 auf. Zum Aufladen gemäß Schritt b) des Verfahrens werden die beiden Stromableiter 12, 22 elektrisch kontaktiert und mit einer Spannung beaufschlagt, so dass ein Ladestrom fließen kann. Verursacht durch den Ladestrom, werden Lithium-Ionen aus dem Kathodenaktivmaterial 20 herausgelöst und wandern durch den Separator 16 in Richtung des der Anode zugeordneten Stromableiters 12, wo sie sich im Bereich der ersten Grenzschicht 31 anlagern.
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In 2 ist das galvanische Element 10 in einem Zustand nach dem erstmaligen Aufladen des galvanischen Elements 10 gemäß Schritt b) des Verfahrens dargestellt. Das galvanische Element 10 umfasst nun den der Anode zugeordneten Stromableiter 12, eine auf dem der Anode zugeordneten Stromableiter 12 durch Ablagern von Lithium-Ionen gebildete Anode 14, den Separator 16, die Kathode 18 mit dem Kathodenaktivmaterial 20 und den der Kathode zugeordneten Stromableiter 22.
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Durch das Aufladen des galvanischen Elements 10 gemäß Schritt b) des Verfahrens wurden Teile des Kathodenaktivmaterials 20 delithiiert und die aus dem Kathodenaktivmaterial 20 ausgetretenen Lithium-Ionen sind durch den Separator 16 in Richtung des der Anode zugeordneten Stromableiters 12 gewandert. Dort haben sich die Lithiumionen als Anode 14 in Form einer Schicht aus metallischem Lithium angelagert. Als Folge wurde die erste Grenzschicht 31 zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter 12 und dem Separator 16 aufgelöst und es wurden eine vierte Grenzschicht 34 und eine fünfte Grenzschicht 35 neu gebildet. Die vierte Grenzschicht 34 ist zwischen dem der Anode zugeordneten Stromableiter 12 und der Anode 14 ausgebildet und entsprechend ist die fünfte Grenzschicht 35 zwischen der Anode 14 und dem Separator 16 ausgebildet.
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Beim Entladen der Batterie wird dieser Prozess wieder teilweise umgekehrt. Lithium-Ionen werden dabei aus dem Anodenaktivmaterial austreten, durch den Separator 16 wandern und das Kathodenaktivmaterial 20 wieder lithiieren.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/165701 A2 [0005]
- US 2015/0010788 A1 [0006]
- DE 102014208228 A [0007]
- DE 102012205931 A1 [0018]
