DE102017219794A1 - Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle und Batteriezelle - Google Patents

Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle und Batteriezelle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle, umfassend eine Kathode (22), welche einen Stromableiter (32) und eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) aufweist, eine Anode (21), welche einen Stromableiter (31) und eine anodische Aktivmaterialschicht (41) aufweist, und einen zwischen der Anode (21) und der Kathode (22) angeordneten Separator (18). Dabei umfasst der Separator (18) eine Separatorschicht (55), welche einen Festkörperelektrolyten aufweist, und zwischen der Separatorschicht (55) und dem Stromableiter (31) der Anode (21) ist eine Zwischenschicht (50) vorgesehen, welche einen Festkörperelektrolyten aufweist, wobei eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht (55) höher ist als eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Zwischenschicht (50). Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit (10) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle, welche mindestens eine Kathode, welche einen Stromableiter und eine kathodische Aktivmaterialschicht aufweist, eine Anode, welche einen Stromableiter und eine anodische Aktivmaterialschicht aufweist, und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Batteriezelle, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere Batteriezellen.
  • In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen kommen unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
  • Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen Stromableiter und eine Aktivmaterialschicht, welche ein elektrochemisches Aktivmaterial aufweist. Das Aktivmaterial für die Kathode enthält beispielsweise ein Metalloxid wie Li2MnO3, also Lithiummanganoxid, sowie eine NCM-Legierung, also eine Legierung aus Nickel, Cobald und Mangan. Das Aktivmaterial für die Anode enthält beispielsweise Silizium, Graphit, Lithium oder auch eine Mischungen aus diesen Stoffen.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 221 737 A1 offenbart eine Lithium-Schwefel-Zelle mit einer Kathode, welche ein schwefelhaltiges Kathodenaktivmaterial, beispielsweise SPAN, und einen sulfidischen lonenleiter umfasst und einen Kathodenstromableiter aufweist, sowie mir einer, insbesondere metallisches Lithium enthaltenden, Anode mit einem Anodenstromableiter. Zwischen der Kathode und der Anode ist dabei eine Schicht aus einem Block-Co-Polymer und gegebenenfalls zusätzlich eine Anodenschutzschicht ausgebildet, wobei die Anodenschutzschicht aus einem anorganischen, keramischen und/oder glasartigen Material oder einem Block-Co- Polymer ausgebildet sein kann.
  • Die Druckschrift WO 2013/009750 A2 offenbart ein Separatorsystem mit mehreren porösen Lagen zur Anwendung in lithiumbasierten und zinkbasierten Zellen. Die Lagen weisen dabei ein Muster aus durchgängigen Öffnungen auf und sind so ausgebildet, dass die Öffnungen der unterschiedlichen Lagen versetzt zueinander angeordnet sind.
  • Die Druckschrift DE 103 47 570 A1 offenbart eine Separator-Elektroden-Einheit für Lithiumbatterien, welche eine poröse Elektrodenschicht und eine darauf aufgebrachte anorganische Separatorschicht aufweist, wobei die anorganische Separatorschicht zumindest zwei Fraktionen von Metalloxidpartikel aufweist, die sich in ihrer mittleren Partikelgröße und/oder in einem Metall voneinander unterscheiden. Der Anteil organischer Verbindungen in der anorganischen Separatorschicht liegt unter 5 Gew.-%.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 206 829 A1 offenbart ein galvanisches Element, umfassend eine Anode, einen ionenleitenden, beispielsweise Granat umfassenden, Separator in Form einer geschlossenen Schicht und eine Kathode. Der Separator weist eine Restporosität von weniger als 5 Vol.-% auf.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird eine Elektrodeneinheit für eine Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrodeneinheit umfasst mindestens eine Kathode, welche einen Stromableiter und eine kathodische Aktivmaterialschicht aufweist, eine Anode, welche einen Stromableiter und eine anodische Aktivmaterialschicht aufweist, und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator.
  • Der Stromableiter der Kathode ist dabei elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Auch der Stromableiter der Anode ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Die kathodische Aktivmaterialschicht enthält beispielsweise ein Metalloxid, wie Li(Ni,Mn,Co)O2 oder Li2MnO3, also Lithiummanganoxid, oder andere Kathodenmaterialien, eine Beschichtung des Kathodenaktivmaterials, wie z.B. LiNbO3, also Lithiumniobat, oder Al2O3, sowie einen elektrisch leitfähigen Zusatz wie beispielsweise Kohlenstoff und einen sulfidischen Festkörperelektrolyten.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Separator eine Separatorschicht, welche einen Festkörperelektrolyten aufweist, und zwischen der Separatorschicht und dem Stromableiter der Anode ist eine Zwischenschicht vorgesehen, welche ebenfalls einen Festkörperelektrolyten aufweist. Dabei ist eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht des Separators höher als eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der besagten Zwischenschicht.
  • Der Festkörperelektrolyt weist dabei insbesondere für Lithiumionen eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit auf. Der Festkörperelektrolyt kann eine kristalline sowie eine amorphe Struktur oder eine Mischung aus beiden aufweisen. Ferner weist der Festkörperelektrolyt in bevorzugter Ausführung nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen auf.
  • Unter der Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht ist dabei das Verhältnis des Volumens des Festkörperelektrolyten zu dem Volumen der ganzen Separatorschicht zu verstehen. Entsprechend ist unter der Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Zwischenschicht das Verhältnis des Volumens des Festkörperelektrolyten zu dem Volumen der ganzen Zwischenschicht zu verstehen.
  • Vorzugsweise weist die Separatorschicht der Elektrodeneinheit eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten von mehr als 97 % auf. Der Festkörperelektrolyt nimmt also mindestens 97 % des kompletten Volumens der Separatorschicht ein, wodurch die besagte Separatorschicht sehr dicht und massiv ausgebildet ist. Die Separatorschicht kann beispielsweise durch Abscheidung aus Lösung durch Evaporation, mittels Aerosolablagerung oder durch Foliengießen hergestellt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zwischenschicht der Elektrodeneinheit eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten von weniger als 50 % auf. Der Festkörperelektrolyt nimmt also höchstens 50 % des Volumens der kompletten Zwischenschicht ein, wodurch die Zwischenschicht eine verhältnismäßig hohe Porosität aufweist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise mittels Siebdruck oder Tintenstrahldruck hergestellt werden. Bei einem Ladevorgang wird Lithium in der porösen Zwischenschicht eingelagert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Zwischenschicht und dem Stromableiter der Anode eine Sammelschicht vorgesehen, welche Lithium enthält. Die Sammelschicht der Elektrodeneinheit stellt somit eine anodische Aktivmaterialschicht dar und grenzt vorzugsweise unmittelbar an den Stromableiter der Anode an.
  • Die Sammelschicht der Elektrodeneinheit kann beispielsweise aus einer Lithiumfolie gebildet sein. Die besagte Lithiumfolie ist dabei insbesondere massiv ausgebildet und enthält metallisches Lithium.
  • Ebenso kann die Sammelschicht der Elektrodeneinheit beispielsweise ein Metallsubstrat aufweisen, auf welches Lithium aufgebracht ist. Bei dem Metallsubstrat kann es sich insbesondere um Kupfer oder Nickel oder eine Kombination daraus handeln.
  • Ferner kann die Sammelschicht der Elektrodeneinheit beispielsweise eine Lithiumlegierung aufweisen. Bei der Lithiumlegierung kann es sich insbesondere um LiMg, also Lithium-Magnesium, handeln.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Zwischenschicht der Elektrodeneinheit Lithium. Die Zwischenschicht wird beispielsweise mittels Aerosolablagerung auf der Separatorschicht oder auf dem Stromableiter der Anode aufgebracht. Die Zwischenschicht der Elektrodeneinheit stellt somit eine anodische Aktivmaterialschicht dar und grenzt insbesondere unmittelbar an den Stromableiter der Anode an.
  • Bei der Herstellung der Elektrodeneinheit ist der Stromableiter der Anode in der Regel eine reine Metallfolie, auf die eine Beschichtung aufgebracht sein kann. Wenn die Elektrodeneinheit elektrisch geladen wird, so wird Lithium von der kathodischen Aktivmaterialschicht in der anodischen Aktivmaterialschicht oder zwischen der anodische Aktivmaterialschicht und dem Stromableiter der Anode abgelagert.
  • Die Zwischenschicht der Elektrodeneinheit enthält bevorzugt stabilisiertes Lithium. Unter stabilisiertem Lithium ist ein Lithium-Pulver mit Partikeln zu verstehen, bei dem die Partikel derart mit einer Beschichtung versehen sind, dass sie unter Feuchteeinfluss nicht oder nur sehr wenig reagieren, insbesondere oxidieren. Dies kann vorteilhaft für die Prozessführung sein, da die Taupunktanforderungen an den Trockenraum der Fertigung nicht so hoch sind und so Kosten gespart werden können.
  • Die Zwischenschicht der Elektrodeneinheit kann auch ein Lithiumsalz, insbesondere Lithiumkarbonat, enthalten.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Festkörperelektrolyt in der Separatorschicht der Elektrodeneinheit anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, beispielsweise als Lithium-leitender Granat, ausgebildet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auch der Festkörperelektrolyt in der Zwischenschicht der Elektrodeneinheit anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, beispielsweise als Lithium-leitender Granat ausgebildet.
  • Es wird auch eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit umfasst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit kann eine verhältnismäßig hohe Energiedichte von über 400 Wh/kg aufweisen. Dabei weisen die Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht und in der Zwischenschicht vorteilhaft eine hohe ionische Leitfähigkeit auf. Auch die Laderate sowie die Entladerate sind bei einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit vorteilhaft erhöht. Auch ist der Einsatz einer Lithiumfolie, welche verhältnismäßig schwer zu verarbeiten ist, insbesondere wegen der Empfindlichkeit der Lithiumoberfläche gegen Feuchtigkeit, als anodisches Aktivmaterial zwar möglich aber nicht zwingend erforderlich. Dadurch sind die Herstellkosten für eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit vorteilhaft verringert. Ferner weist eine erfindungsgemäße Elektrodeneinheit eine verhältnismäßig hohe Laderate auf. Vorteilhaft verhindert die Separatorschicht des Separators auch ein Durchwachsen von Dendriten von der Anode zu der Kathode, da die mit Lithium in Kontakt stehende Oberfläche des Separators im Vergleich zu einer planen Fläche signifikant erhöht ist.
  • Figurenliste
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle,
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform und
    • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Das Zellengehäuse 3 kann aber auch aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, gefertigt sein.
  • Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
  • Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, welche beispielsweise als Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgeführt ist. Die Elektrodeneinheit 10 weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, auf. Die Anode 21 und die Kathode 22 sind jeweils folienartig ausgeführt und durch einen Separator 18 voneinander separiert. Der Separator 18 ist ebenfalls folienartig ausgeführt und ionisch leitfähig, also für Lithiumionen durchlässig.
  • Die Anode 21 umfasst eine anodische Aktivmaterialschicht 41 und einen Stromableiter 31. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • Die Kathode 22 umfasst eine kathodische Aktivmaterialschicht 42 und einen Stromableiter 32. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden.
  • In der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 der Elektrodeneinheit 10 sind Lithiumatome eingelagert. Bei einem Ladevorgang der Elektrodeneinheit 10 in der Batteriezelle 2 wandern Lithiumionen von der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 durch den Separator 18 zu der anodischen Aktivmaterialschicht 41. Dabei werden die Lithiumionen in der anodischen Aktivmaterialschicht 41 eingelagert. Dieser Vorgang wird auch als Lithiierung bezeichnet. Gleichzeitig fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Kathode 22 zu der Anode 21.
  • Beim Betrieb der Batteriezelle 2, also bei einem Entladevorgang der Elektrodeneinheit 10, fließen Elektronen in einem äußeren Stromkreis von der Anode 21 zu der Kathode 22. Innerhalb der Elektrodeneinheit 10 wandern Lithiumionen von der anodischen Aktivmaterialschicht 41 durch den Separator 18 zu der kathodischen Aktivmaterialschicht 42. Dabei lagern die Lithiumionen aus der anodischen Aktivmaterialschicht 41 reversibel aus, was auch als Delithiierung bezeichnet wird.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Elektrodeneinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst in dieser Reihenfolge einen Stromableiter 32 der Kathode 22, eine kathodische Aktivmaterialschicht 42, eine Separatorschicht 55, eine Zwischenschicht 50, eine Sammelschicht 52 und einen Stromableiter 31 der Anode 21.
  • Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist, wie bereits erwähnt, aus Aluminium gefertigt. Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 enthält ein kathodisches Aktivmaterial wie NCM oder LMO, gegebenenfalls mit einer Beschichtung zur Reduzierung des Oberflächenwiderstands, beispielsweise Al2O3, also Aluminiumoxid, oder LiNbO3, also Lithiumniobat. Ferner enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 einen Leitfähigkeitszusatz, beispielsweise eine Kohlenstoffverbindung, zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Auch enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 einen sulfidischen Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 und die kathodische Aktivmaterialschicht 42 bilden die Kathode 22 der Elektrodeneinheit 10.
  • Die Separatorschicht 55 der Elektrodeneinheit 10 enthält insbesondere einen Festkörperelektrolyten und ist dabei sehr dicht und massiv ausgebildet. Der Festkörperelektrolyt in der Separatorschicht 55 der Elektrodeneinheit 10 ist vorliegend anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet.
  • Dabei weist die Separatorschicht 55 eine hohe Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten auf. Vorliegend beträgt die Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht 55 mehr als 97 %. Der Festkörperelektrolyt kann eine kristalline oder eine amorphe Struktur oder eine Mischung aus beiden aufweisen. Vorzugsweise weist der Festkörperelektrolyt nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen auf.
  • Die Zwischenschicht 50 der Elektrodeneinheit 10 enthält ebenfalls einen Festkörperelektrolyten. Der Festkörperelektrolyt in der Zwischenschicht 50 der Elektrodeneinheit 10 ist vorliegend ebenfalls anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet.
  • Dabei weist die Zwischenschicht 50 eine geringere Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten auf als die Separatorschicht 55. Vorliegend beträgt die Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Zwischenschicht 50 weniger als 50 %. Der Festkörperelektrolyt nimmt also höchstens 50 % des Volumens der kompletten Zwischenschicht 50 ein.
  • Die Zwischenschicht 50 besteht fast ausschließlich aus dem Festkörperelektrolyten. Die Zwischenschicht 50 weist somit eine verhältnismäßig hohe Porosität auf. Die Separatorschicht 55 und die Zwischenschicht 50 bilden den Separator 18 der Elektrodeneinheit 10.
  • Die Sammelschicht 52 der Elektrodeneinheit 10 ist beispielsweise als massive Lithiumfolie ausgebildet und enthält metallisches Lithium. Die Sammelschicht 52 der Elektrodeneinheit 10 kann auch ein Metallsubstrat aufweisen, auf welches Lithium aufgebracht ist. Ebenso kann die Sammelschicht 52 der Elektrodeneinheit 10 eine Lithiumlegierung enthalten.
  • Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist, wie bereits erwähnt, aus Kupfer gefertigt. Der Stromableiter 31 der Anode 21 und die Sammelschicht 52 der Elektrodeneinheit 10, welche die anodische Aktivmaterialschicht 41 darstellt, bilden die Anode 21 der Elektrodeneinheit 10.
  • Beim Laden der Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 kann sich Lithium aus der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 in der porösen Zwischenschicht 50 ablagern. Ebenso kann sich Lithium aus der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 beim Laden der Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 auf der Sammelschicht 52, welche die anodische Aktivmaterialschicht 41 darstellt, ablagern.
  • 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Elektrodeneinheit 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Elektrodeneinheit 10 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst in dieser Reihenfolge einen Stromableiter 32 der Kathode 22, eine kathodische Aktivmaterialschicht 42, eine Separatorschicht 55, eine Zwischenschicht 50 und einen Stromableiter 31 der Anode 21.
  • Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist, wie bereits erwähnt, aus Aluminium gefertigt. Die kathodische Aktivmaterialschicht 42 enthält ein kathodisches Aktivmaterial wie NCM oder LMO, gegebenenfalls mit einer Beschichtung zur Reduzierung des Oberflächenwiderstands, beispielsweise Al2O3, also Aluminiumoxid, oder LiNbO3, also Lithiumniobat. Ferner enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 einen Leitfähigkeitszusatz, beispielsweise eine Kohlenstoffverbindung, zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit. Auch enthält die kathodische Aktivmaterialschicht 42 einen sulfidischen Festkörperelektrolyten zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit. Der Stromableiter 32 der Kathode 22 und die kathodische Aktivmaterialschicht 42 bilden die Kathode 22 der Elektrodeneinheit 10.
  • Die Separatorschicht 55 der Elektrodeneinheit 10 enthält insbesondere einen Festkörperelektrolyten und ist dabei sehr dicht und massiv ausgebildet. Der Festkörperelektrolyt in der Separatorschicht 55 der Elektrodeneinheit 10 ist vorliegend anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet.
  • Dabei weist die Separatorschicht 55 eine hohe Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten auf. Vorliegend beträgt die Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht 55 mehr als 97 %. Der Festkörperelektrolyt kann eine kristalline oder eine amorphe Struktur oder eine Mischung aus beiden aufweisen. Vorzugsweise weist der Festkörperelektrolyt nur eine geringe Anzahl von Korngrenzen auf. Die Separatorschicht 55 bildet den Separator 18 der Elektrodeneinheit 10.
  • Die Zwischenschicht 50 der Elektrodeneinheit 10 enthält ebenfalls einen Festkörperelektrolyten. Der Festkörperelektrolyt in der Separatorschicht 55 der Elektrodeneinheit 10 ist vorliegend ebenfalls anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet.
  • Dabei weist die Zwischenschicht 50 eine geringere Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten auf als die Separatorschicht 55. Ferner enthält die Zwischenschicht 50 der Elektrodeneinheit 10 Lithium, beispielsweise in Form von bevorzugt stabilisiertem Lithium oder als Lithiumsalz, insbesondere Lithiumkarbonat.
  • Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist, wie bereits erwähnt, aus Kupfer gefertigt. Der Stromableiter 31 der Anode 21 und die Zwischenschicht 50 der Elektrodeneinheit 10, welche die anodische Aktivmaterialschicht 41 darstellt, bilden die Anode 21 der Elektrodeneinheit 10.
  • Beim Laden der Elektrodeneinheit 10 der Batteriezelle 2 kann sich Lithium aus der kathodischen Aktivmaterialschicht 42 insbesondere in der porösen Zwischenschicht 50, welche die anodische Aktivmaterialschicht 41 darstellt, ablagern.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014221737 A1 [0005]
    • WO 2013/009750 A2 [0006]
    • DE 10347570 A1 [0007]
    • DE 102014206829 A1 [0008]

Claims (13)

  1. Elektrodeneinheit (10) für eine Batteriezelle (2), umfassend eine Kathode (22), welche einen Stromableiter (32) und eine kathodische Aktivmaterialschicht (42) aufweist, eine Anode (21), welche einen Stromableiter (31) und eine anodische Aktivmaterialschicht (41) aufweist, und einen zwischen der Anode (21) und der Kathode (22) angeordneten Separator (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (18) eine Separatorschicht (55) umfasst, welche einen Festkörperelektrolyten aufweist, und dass zwischen der Separatorschicht (55) und dem Stromableiter (31) der Anode (21) eine Zwischenschicht (50) vorgesehen ist, welche einen Festkörperelektrolyten aufweist, wobei eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Separatorschicht (55) höher ist als eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten in der Zwischenschicht (50).
  2. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorschicht (55) eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten von mehr als 97 % aufweist.
  3. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) eine Volumenkonzentration des Festkörperelektrolyten von weniger als 50 % aufweist.
  4. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zwischenschicht (50) und dem Stromableiter (31) der Anode (21) eine Sammelschicht (52) vorgesehen ist, welche Lithium enthält, wobei die Sammelschicht (52) die anodische Aktivmaterialschicht (41) darstellt.
  5. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschicht (52) aus einer Lithiumfolie gebildet ist.
  6. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschicht (52) ein Metallsubstrat aufweist, auf welches Lithium aufgebracht ist.
  7. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschicht (52) eine Lithiumlegierung aufweist.
  8. Elektrodeneinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) Lithium enthält, wobei die Zwischenschicht (50) die anodische Aktivmaterialschicht (41) darstellt.
  9. Elektrodeneinheit (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) stabilisiertes Lithium enthält.
  10. Elektrodeneinheit (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (50) ein Lithiumsalz, insbesondere Lithiumkarbonat, enthält.
  11. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt in der Separatorschicht (55) anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet ist.
  12. Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt in der Zwischenschicht (50) anorganisch, insbesondere sulfidisch oder oxidisch, ausgebildet ist.
  13. Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Elektrodeneinheit (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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