DE102018100278A1

DE102018100278A1 - Poröse zellulosesubstrate für lithium-ionen-batterieelektroden

Info

Publication number: DE102018100278A1
Application number: DE102018100278.5A
Authority: DE
Inventors: Allen D. Pauric; Meng Jiang; Gillian R. Goward; Raghunathan K
Original assignee: McMaster University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: McMaster University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US20180205114A1; CN108306000A

Abstract

Ein Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle wird bereitgestellt. Die Elektrode beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat, ein elektroaktives Material und ein Bindemittel. Das poröse hydrophile Substrat beinhaltet eine Vielzahl von Hohlräumen und kann aus Cellulose oder einem Cellulosederivatmaterial gebildet sein. Das elektroaktive Material ist in mindestens einem Teil der Hohlräume des hydrophilen Substrats dispergiert. In anderen Aspekten wird ein anderes Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle bereitgestellt. Die Elektrode beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat, ein elektroaktives Material, ein elektrisch leitfähiges Partikel und ein Bindemittel. Das poröse hydrophile Substrat beinhaltet eine Vielzahl von Hohlräumen und kann aus Cellulose oder einem Cellulosederivatmaterial gebildet sein. Das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Partikel sind in mindestens einem Teil der Hohlräume des hydrophilen Substrats dispergiert. In noch anderen Aspekten umfasst das poröse hydrophile Substrat eine Beschichtung, die elektrisch leitend ist.

Description

EINLEITUNG
Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrochemische Zellen, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien, mit verbesserten porösen Gerüstmaterialien aus Zellulose oder Derivaten davon, die Elektroden bilden, sowie Verfahren zur Bildung solcher Elektroden.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen-Batterien beinhalten eine erste Elektrode (z. B. eine Kathode), eine zweite Elektrode mit entgegengesetzter Polarität (z. B. eine Anode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Konventionelle Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien basieren auf dem umkehrbaren Durchleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt kann Lithium-Ionen leiten und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung. Aus Gründen der Bequemlichkeit wird eine negative Elektrode synonym mit einer Anode verwendet, obwohl, wie von Fachleuten erkannt wird, während bestimmter Phasen des Lithium-Ionen-Zyklus die Anodenfunktion mit der positiven Elektrode und nicht mit der negativen Elektrode verbunden sein kann (z. B. kann die negative Elektrode bei der Entladung eine Anode und bei der Ladung eine Kathode sein).
In verschiedenen Aspekten beinhaltet eine Elektrode ein elektroaktives Material. Negative Elektroden beinhalten typischerweise ein derartiges elektroaktives Material, das in der Lage ist, als ein Lithium-Wirtsmaterial zu funktionieren, das als ein negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dient. Herkömmliche negative Elektroden beinhalten das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und ein anderes elektrisch leitfähiges Material, wie Rußpartikel, sowie ein oder mehrere polymere Bindemittelmaterialien, um das Lithium-Wirtsmaterial und elektrisch leitfähige Partikel zusammenzuhalten.
Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer negativen Elektrode (z. B. eine Anode) in einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle beinhalten Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Interkalationsverbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverbindungen und Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten vorkommen, sind seit kurzem Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (gegenüber konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. So hat beispielsweise Silizium die höchste bekannte, theoretische Ladekapazität für Lithium und ist damit eine der attraktivsten Alternativen zu Graphit als negatives Elektrodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch weisen gegenwärtige Siliziumanodenmaterialien erhebliche Nachteile auf. Siliziumhaltige Materialien erleben während der Lithium-Insertion/Extraktion (z. B. Interkalation und Desinterkalation) große Volumenänderungen (z. B. Volumenexpansion/-kontraktion). Somit wird während des Zyklus von herkömmlichen siliziumhaltigen Elektroden häufig eine Rissbildung der negativen Elektrode (z. B. Anode), eine Abnahme der elektrochemischen zyklischen Leistung und ein großer Coulomb-Ladungskapazitätsverlust (Kapazitätsabschwächung) sowie eine extrem begrenzte Zykluslebensdauer beobachtet. Diese verminderte Leistung wird größtenteils aufgrund des Abbaus des physikalischen Kontakts zwischen Siliziumpartikeln und leitfähigen Füllstoffen, die durch die großen Volumenänderungen in der Elektrode während des Zyklus von Lithiumionen verursacht werden, vermutet.
Es wäre wünschenswert, negative, siliziumhaltige Hochleistungs-Elektrodenmaterialien zur Verwendung in leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, welche die aktuellen Schwächen überwinden, die eine weit verbreitete kommerzielle Verwendung insbesondere in Fahrzeuganwendungen verhindern. Für eine langfristige und effektive Verwendung sind Elektrodenmaterialien daher wünschenswerterweise in der Lage, eine minimale Kapazitätsabnahme und eine maximale Ladekapazität für eine Langzeitverwendung in Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen und insbesondere verbesserte Elektroden (z. B. negative Elektrode oder Anode) für elektrochemische Zellen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle bereit. Batteriezelle bereit. Das Elektrodenmaterial beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat, ein elektroaktives Material und ein Bindemittel. Das poröse hydrophile Substrat beinhaltet eine Vielzahl von Hohlräumen. Das elektroaktive Material ist in mindestens einigen der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert.
In verschiedenen anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle bereit. Batteriezelle bereit. Das Elektrodenmaterial beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat, ein elektroaktives Material, ein elektrisch leitfähiges Partikel und ein Bindemittel. Das poröse hydrophile Substrat beinhaltet eine Vielzahl von Hohlräumen. Das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Partikel sind in mindestens einigen der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert.
In bestimmten Variationen beinhaltet das poröse hydrophile Substrat Zellulose (C₆H₆O₅)_n oder Derivate davon.
In noch anderen Variationen hat das poröse hydrophile Substrat eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 20 Vol.-% und weniger als oder gleich etwa 70 Vol.-%.
In noch anderen Variationen ist das elektrisch leitfähige Partikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Nickelpulver, Metallpartikeln, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
In einigen Variationen ist eine Oberfläche des porösen hydrophilen Substrats zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet.
In bestimmten anderen Variationen ist das Bindemittel wasserlöslich und wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Natriumalginat, Xanthangummi, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA) und Kombinationen davon.
In noch anderen Variationen ist das elektroaktive Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silizium (Si), Siliziummonoxid (SiO), Siliziumdioxid (SiO₂), SiSn, SiFe, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, Germanium (Ge), Germaniumoxid (GeO₂), Zinn (Sn), Zinnoxid (SnO)₂), Eisenoxid (Fe₂O₃) und Eisenoxidlegierungen und Kombinationen davon.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Lithium-Ionen-Batteriezelle bereit. Die elektrochemische Batteriezelle beinhaltet eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten. Die negative Elektrode beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat, ein negatives elektroaktives Material und ein Bindemittel. Das poröse hydrophile Substrat enthält eine Vielzahl von Hohlräumen, ein negatives elektroaktives Material und ein Bindemittel. Die positive Elektrode enthält ein positives elektroaktives Material einschließlich eines Übergangsmetalls. Das negative elektroaktive Material ist in mindestens einigen der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Lithium-Ionen-Batteriezelle bereit. Die elektrochemische Batteriezelle beinhaltet eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten. Die negative Elektrode beinhaltet ein poröses hydrophiles Substrat mit einer Vielzahl von Hohlräumen, ein negatives elektroaktives Material, ein elektrisch leitfähiges Material und ein Bindemittel. Die positive Elektrode enthält ein positives elektroaktives Material einschließlich eines Übergangsmetalls. Das negative elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Partikel sind in mindestens einigen der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert. In bestimmten Variationen ist das elektrisch leitfähige Partikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhren, Nickelpulver, Metallpartikeln, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
In anderen Variationen ist eine Oberfläche des porösen hydrophilen Substrats zumindest teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet.
In noch anderen Variationen ist die negative Elektrode in der Lage, eine aktive Materialladung von mehr als oder gleich etwa 7 mAh/cm² und weniger als oder gleich etwa 11 mAg/cm² aufzuweisen.
In bestimmten anderen Variationen hat die negative Elektrode eine spezifische Kapazität nach 40 Zyklen von Lithium-Ionen-Interkalation und -Desinterkalation in der negativen Elektrode der elektrochemischen Zelle von mehr als oder gleich etwa 700 mAh/g.
In noch anderen Variationen hat die negative Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 µm und weniger als oder gleich etwa 130 µm.
In bestimmten anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. Das Verfahren beinhaltet das Auftragen einer Aufschlämmung auf mindestens eine Seite eines porösen hydrophilen Substrats, um ein beschichtetes Substrat zu bilden. Die Aufschlämmung enthält Wasser, ein Bindemittel und ein elektroaktives Material. Das Verfahren beinhaltet ferner das Trocknen des beschichteten Substrats zur Bildung der negativen Elektrode.
In bestimmten anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen eines Materials einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. Das Verfahren beinhaltet das Auftragen einer Aufschlämmung auf mindestens eine Seite eines porösen hydrophilen Substrats, um ein beschichtetes Substrat zu bilden. Die Aufschlämmung enthält Wasser, ein Bindemittel, ein elektroaktives Material und ein elektrisch leitfähiges Partikel. Das Verfahren beinhaltet ferner das Trocknen des beschichteten Substrats zur Bildung der negativen Elektrode.
In bestimmten Variationen beinhaltet das Verfahren ferner das Bilden einer Aufschlämmung. Die Bildung der Aufschlämmung beinhaltet das Mischen einer Bindemittelvorstufe und Wasser, um eine Bindemittellösung zu erzeugen. Das Bilden der Aufschlämmung beinhaltet auch das Mischen des elektroaktiven Materials und der elektrisch leitfähigen Partikel, um eine Partikelbeimischung zu bilden. Die Bildung der Aufschlämmung beinhaltet ferner die Zugabe der Partikelbeimischung zu der Bindemittellösung, um die Aufschlämmung zu bilden.
In noch anderen Variationen beinhaltet das Bilden eines beschichteten porösen Substrats das Aufbringen der Aufschlämmung auf zwei Seiten des porösen hydrophilen Substrats.
In anderen Variationen beinhaltet das Verfahren ferner das Aufbringen einer leitfähigen Oberflächenbeschichtung auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des porösen hydrophilen Substrats in einem Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Atomlagenabscheidung (ALD), physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD), chemische Dampfinfiltration, Nasschemie und Kombinationen davon.
In anderen Variationen ist das elektroaktive Material in dem porösen hydrophilen Substrat bei mehr als oder gleich etwa 50 Massen-% und weniger als oder gleich etwa 90 Massen-% der Aufschlämmung vorhanden. Das Bindemittel liegt bei mehr als oder gleich etwa 0,5 Massen-% und weniger als oder gleich etwa 50 Massen-% der Aufschlämmung vor. Das elektrisch leitfähige Partikel liegt bei mehr als oder gleich etwa 0,5 Massen-% und weniger als oder gleich etwa 50 Massen-% der Aufschlämmung vor.
In noch anderen Variationen beinhaltet das poröse hydrophile Substrat Cellulose (C₆H₆O₅)_n oder Derivate davon.
In bestimmten Variationen ist das elektroaktive Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Silicium (Si), Siliciummonoxid (SiO), Siliciumdioxid (SiO₂), SiSn, SiFe, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, Germanium (Ge), Germaniumoxid (GeO₂), Zinn (Sn), Zinnoxid (SnO)₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Legierungen und Kombinationen davon.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Batteriezelle;
2 ist ein detailliertes Schema einer Seitenansicht eines Elektrodenmaterials, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und ein poröses hydrophiles Substrat, ein elektroaktives Material, ein Bindemittel und ein elektrisch leitfähiges Material aufweist;
3A-3B zeigen ein Elektrodenmaterial, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und ein elektrisch leitendes poröses hydrophiles Substrat, elektroaktives Material und ein Bindemittel aufweist. 3A ist eine detaillierte schematische Ansicht des Elektrodenmaterials; 3B ist ein Querschnitt des leitfähigen porösen hydrophilen Substrats.
4A-4B beziehen sich auf Leistungsdaten von Elektroden aus Beispiel 1. 4A zeigt die spezifische Kapazität von Elektroden, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurden; 4B zeigt den Coulombschen Wirkungsgrad der gemäß Beispiel 1 hergestellten Elektroden; und
5 bezieht sich auf Leistungsschätzungen von Elektroden aus Beispiel 2, die insbesondere die Energiedichte von Elektroden gemäß Beispiel 2 zeigt.

Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf”, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die nummerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle nummerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte nummerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % beinhalten.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf leistungsfähige elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen (z. B. Lithium-Ionen-Batterien) mit verbesserten negativen Elektroden. In bestimmten Aspekten sind die Elektroden negative Elektroden (z. B. Anoden). In elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien beinhaltet die negative Elektrode typischerweise ein Lithium-Einlegematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Wie oben erörtert, beinhalten elektroaktive Materialien zur Bildung einer negativen Elektrode oder Anode Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverhindungen und Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten verwendet werden, sind bestimmte Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (gegenüber konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. Silizium (Si) ist, aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität, als Anodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien eine attraktive Alternative zu Graphit. Jedoch wird während des Zyklus eine stark verminderte Coulombsche Ladungskapazität (Kapazitätsabschwächung) beobachtet, als Ergebnis des Abbaus des physikalischen Kontakts zwischen Siliziummaterial und leitfähigen Füllstoffen, die durch die große Volumenänderung in der Elektrode verursacht werden (während der Lithium-Ionen-Insertion oder -Interkalation und De-Insertion oder Desinterkalation). Zusätzlich zu der Kapazitätsabschwächung und einer Abnahme der elektrochemischen zyklischen Leistung können die großen Volumenänderungen (z. B. Volumenausdehnung/-kontraktion) von siliziumhaltigen Materialien während der Lithiumeinlagerung/-auslagerung zu einer Rissbildung in der Anode und einer extrem begrenzten Zykluslebensdauer führen. Diese Herausforderung, insbesondere die Kapazitätsabschwächung bei siliziumbasierten Anoden, stellte ein Hindernis für ihre weitverbreitete Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien dar.
Die vorliegende Offenbarung bietet verbesserte Elektroden für eine elektrochemische Zelle, insbesondere verbesserte leistungsfähige negative Elektroden für elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen. In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Elektrodenmaterial bereit, das ein poröses hydrophiles Substrat mit elektroaktivem Material und einem darin dispergierten elektrisch leitfähigen Material beinhaltet. In bestimmten anderen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Elektrodenmaterial vor, das ein elektrisch leitfähiges poröses hydrophiles Substrat mit einem darin dispergierten elektroaktiven Material beinhaltet. Insbesondere kann ein poröses hydrophiles Substrat eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen. In noch anderen Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung ferner Verfahren zur Herstellung solcher Elektroden in Betracht.
Als Hintergrund können elektrochemische Zellen, insbesondere wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, in Fahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen verwendet werden. Eine exemplarische und schematische Darstellung einer Lithium-Ionen-Batterie 20 ist in 1 dargestellt. Die Lithium-Ionen-Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 30 (z. B. einen mikroporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 beinhaltet einen Elektrolyt 30, der auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der negative Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40 weg. Der Negativ-Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 können aus Kupfer oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, wie Fachleuten bekannt ist. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und Verbraucher 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromabnehmer 34). Jede der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und des Separators 26 kann weiterhin den Elektrolyt 30 beinhalten, der Lithium-Ionen leiten kann. Der Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) zum Erleichtern des Betriebs der Lithium-Ionen-Batterie 20 bereitstellen.
Die Lithium-Ionen-Batterie 20 kann während des Entladens einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 34 miteinander zu verbinden), wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge von eingelagertem Lithium enthält. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die Elektronen, die durch die Oxidation des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 22 entstehen, durch den externen Stromkreis 40 zur positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode gebildet werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 und die Trenneinrichtung 26 zur positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 fließen, und die Lithium-Ionen, die durch die Trenneinrichtung 26 im Elektrolyt 30 wandern, bilden an der positiven Elektrode 24 eingeschobenes Lithium. Der elektrische Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, kann genutzt und durch den Verbraucher 42 geleitet werden, bis das eingeschobene Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 sinkt.
Die Batterie 20 kann durch Anschließen einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 zum Umkehren der elektroaktiven Reaktionen der Batterieentladung jederzeit wieder aufgeladen und nutzbar gemacht werden. Der Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Die externe Stromquelle, die verwendet werden kann, um die Lithium-Ionen-Batterie 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithium-Ionen-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise größer oder gleich mehrere Mikrometer oder weniger als oder gleich etwa ein Millimetermikron in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
Des Weiteren kann die Lithium-Ionen-Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise die Lithium-Ionen-Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Endkappen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 als nicht einschränkendes Beispiel befinden können. Wie vorstehend erwähnt können die Größe und Form der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Lithium-Ionen-Batterie 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe und Leistungsdichte zu erzeugen, wenn dies für den Verbraucher 42 erforderlich ist.
Dementsprechend kann die Lithium-Ionen-Batterie 20 elektrischen Strom für einen Verbraucher 42 erzeugen, der operativ mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. Der Verbraucher 42 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom angetrieben werden, der durch den externen Stromkreis 40 durchgeleitet wird, wenn die Lithium-Ionen-Batterie 20 sich entlädt. Während der Verbraucher 42 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein Elektroauto, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte als nicht einschränkende Beispiele. Der Verbraucher 42 kann jedoch auch ein Gerät zur Energieerzeugung sein, mit dem die Lithium-Ionen-Batterie 20 zum Speichern der Energie aufgeladen werden kann.
Jeder geeignete Elektrolyt 30 kann, entweder in fester Form oder in Lösung, der die Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die Elektrolytlösung eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Zahlreiche konventionelle, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen 30 können in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂ und Kombinationen davon. Diese und ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Vaterotacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Gemische davon, gelöst werden.
Der Separator 30 kann in einer Ausführungsform einen mikroporösen, polymeren Separator beinhalten, der ein Polyolefin beinhaltet. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin ein Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein.
Wenn der Separator 30 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder einen nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 30 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 30 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 30 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse polymere Separator 30 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere beinhalten, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid. Die Schicht aus Polyolefin und beliebige andere gegebenenfalls vorhandene Polymerschichten können außerdem im mikroporösen polymeren Separator 30 als eine faserige Schicht enthalten sein, um den mikroporösen polymeren Separator 30 mit geeigneten Struktur- und Porositätscharakteristika auszustatten. Verschiedene gängige Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 30 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Separator 30 herzustellen.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Lithium-Ionen Batterie 20 dient. Die positive Elektrode 24 kann ebenfalls ein Polymerbindemittel beinhalten, um das Lithium-basierte aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Eine exemplarische gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die verwendet werden können, um die positive Elektrode 24 zu bilden, sind geschichtete Lithiumübergangsmetalloxide. So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Spinell beinhalten, das ein Übergangsmetall, wie Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄) beinhaltet, worin 0 ≤ x ≤ 1, worin x typischerweise weniger als 0,15 ist einschließlich LiMn₂O₄, Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), worin 0 ≤ x ≤ 1 (z. B., LiMn_1,5Ni_0,5O₄), Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithium-Nickeloxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂), worin 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1 ist einschließlich LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂, lithiumreicheres Nickel-Kobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂), worin 0<x<1 , y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein kann, sonstige bekannte Lithiumübergangsmetalloxide oder -mischoxide, Lithiumeisenphosphate oder ein Lithiumeisen-Polyanionoxid wie zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F). Solche aktiven Materialien können mit einem leitfähigen Füllstoffmaterial, wie Ruß oder Graphit und mindestens einem polymeren Bindemittel, vermischt werden. Aktive Materialien können mit anderen Komponenten schlämmgegossen werden, einschließlich Bindemittel, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethoxylcellulose (CMC).
In verschiedenen Aspekten beinhaltet die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dienen kann. Die Lithiierung oder Interkalation von Lithiumionen in der negativen Elektrode 22 tritt während des Ladens der elektrochemischen Zelle auf.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet eine negative Elektrode 110 ein negatives elektroaktives Material 112, ein elektrisch leitendes Material 114 und ein polymeres Bindemittel 116, das in einem porösen hydrophilen Substrat 118 dispergiert ist. Es ist anzumerken, dass die folgende Erörterung und das Design in alternativen Variationen auch mit einer positiven Elektrode verwendet werden können. Das negative elektroaktive Material 112 kann eine oder mehrere elektroaktive Verbindungen enthalten. In bestimmten Variationen kann das elektroaktive Material eine oder mehrere elektroaktive Verbindungen enthalten, die unerwünscht an einer signifikanten oder wesentlichen volumetrischen Expansion und Kontraktion während der Lithiierung/Interkalation und Delithiierung/Desinterkalation von Lithiumionen leiden. Das elektroaktive Material 112 kann in Form von festen Partikeln vorliegen. Ein elektroaktives Material einschließlich Silicium ist eine solche Zusammensetzung. Ein derartiges Material kann Silicium sein (in der Lage, Lithium einzulagern) oder eine Siliciumlegierung. Beispielhafte Materialien beinhalten Silizium (Si), Siliziummonoxid (SiO) und Siliciumdioxid (SiO₂). Siliciumlegierungen beinhalten Lithium-Silicium- und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen, wie SiSn, SiFe, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo und dergleichen. In alternativen Variationen können die vorliegenden Lehren auch in Verbindung mit anderen elektroaktiven Materialien 112 verwendet werden, die ebenfalls nennenswerte und unerwünschte volumetrische Ausdehnung/Kontraktion während der Lithiierung und Delithiieren, wie Germanium (Ge), Germaniumoxid (GeO₂), Zinn (Sn), Zinnoxid (SnO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃) und EisenoxidLegierungen und Äquivalenten davon, aufweisen.
Die negative Elektrode 110 beinhaltet somit ein elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial oder negative elektroaktive Materialien 112 und optional ein anderes elektrisch leitendes Material 114 sowie eine oder mehrere Bindematerialien 116 zum strukturellen Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials. Solche aktiven Materialien für negative Elektroden 112 können mit dem elektrisch leitfähigen Füllmaterial 114 und mindestens einem polymeren Bindemittel 116 vermischt werden. Das polymere Bindemittel 116 erzeugt eine Matrix, die die aktiven Materialien für negative Elektroden 112 und das elektrisch leitfähige Füllmaterial 114 innerhalb Elektrodenmaterials 110 positioniert hält.
Das poröse hydrophile Substrat 118 ist schwammig oder elastisch und definiert eine Vielzahl von Öffnungen oder Hohlräumen 120. Es besteht wünschenswerterweise aus einem Material, das bei den elektrischen Potentialen und Zuständen, die in einer Lithium-Ionen-Batterie auftreten, elektrochemisch stabil ist. In bestimmten Variationen kann das poröse hydrophile Substrat 118 Cellulose (C₆H₆O₅)_n oder Cellulosederivate, wie Celluloseester und Celluloseether, beinhalten. Celluloseester beinhalten als nicht einschränkendes Beispiel: Celluloseacetat, Celluloseacetatbutyrat (CAB), Celluloseacetatpropionat (CAP), Cellulosepropionat und Cellulosetriacetat. Celluloseether beinhalten als nicht einschränkendes Beispiel: Carboxymethylcellulose (CMC), Ethylcellulose, Ethylhydroxyethylcellulose, Ethylmethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxyethylmethylcellulose, Hydroxypropylcellulose (HPC), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) und Methylcellulose. Das poröse hydrophile Substrat 118 kann auch strukturelle Variationen von Cellulose oder Cellulosederivaten umfassen, wie beispielsweise nanokristalline Cellulose (NCC), nanofibrillare Cellulose (NFC) und bakterielle Cellulose (BC). Mit solchen Cellulosematerialien hergestellte Batterien können leicht recycelbar sein, da das Cellulosematerial verbrannt werden kann.
Das elektrisch leitfähige Partikel 114 kann eines der oben im Zusammenhang mit 1 beschriebenen sein, einschließlich Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen, Nickelpulver, Metallpartikel, leitfähige Polymere oder beliebige Kombinationen davon. Es sollte erwähnt werden, dass bestimmte Materialien unter die Kategorie von elektroaktiven Materialien oder elektrisch leitfähigen Materialien fallen können und dass die Kategorien selbst nicht gegenseitig exklusiv sind.
Das Bindemittel 116 stellt eine Elektrodenintegrität bereit, indem es die elektroaktiven Materialien 112 zusammenhält. Das Bindemittel 116 hilft auch, den Kontakt zwischen dem elektroaktiven Material 112 und dem elektrisch leitfähigen Material 114 aufrechtzuerhalten. In bestimmten Variationen kann das Bindemittel 116 wasserlöslich sein. Die Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels 116 ermöglicht eine verbesserte Haftung des elektroaktiven Materials 112 und des elektrisch leitfähigen Materials 114 an dem porösen hydrophilen Substrat 118. Geeignete wasserlösliche Bindemittel beinhalten Natriumalginat, Xanthangummi, Carboxymethylcellulose (CMC) und Polyacrylsäure (PAA), als nicht einschränkendes Beispiel.
Die elektroaktiven Materialien 112 und die elektrisch leitfähigen Materialien 114 sind in mindestens einigen oder einem Teil der Hohlräume 120 dispergiert. Die elektroaktiven Materialien 112 und die elektrisch leitfähigen Materialien 114 können in Hohlräumen 120 über das gesamte Substrat 118 und auf einer ersten Seite 122 und einer zweiten Seite 124 des Substrats 118 verteilt sein, wie dargestellt. In bestimmten Aspekten können die elektroaktiven Materialien 112 und die elektrisch leitfähigen Materialien 114 in Hohlräumen 120 in ausgewählten Bereichen des Substrats 118 verteilt sein, wobei sie beispielsweise nur einen Körper des Substrats 118 in einem bestimmten Abstand von der ersten Seite 122 oder von der zweiten Seite 124 in den zentralen Bereich durchdringen, anstatt gleichmäßig durch den gesamten Körper des Substrats 118 verteilt zu sein. In noch anderen Aspekten können die elektroaktiven Materialien 112 und die elektrisch leitfähigen Materialien 114 fast vollständig auf der ersten Seite 122, fast vollständig auf der zweiten Seite 124 oder nahezu vollständig auf der ersten und zweiten Seite 122, 124 verteilt sein. In bestimmten Variationen können die elektroaktiven Materialien 112 und die elektrisch leitfähigen Materialien 114 im Wesentlichen homogen innerhalb der Hohlraumbereiche des Substrats 118 verteilt sein.
Wie oben kurz erörtert, gibt es mehrere Herausforderungen, die mit der Verwendung von elektroaktiven Materialien verbunden sind, die eine signifikante volumetrische Expansion erfahren. Mehrere Zyklen wiederholter Volumenexpansion und -kontraktion können das elektroaktive Material pulverisieren und zu einer Trennung der elektroaktiven Partikel von den elektrisch leitenden Partikeln führen. Diese physikalische Instabilität führt zu einer verringerten Leitfähigkeit und Störung in der Festelektrolyt-Interphase (SEI), die eine Rolle bei der Kinetik der Lithiuminterkalation spielt. Die Unterbrechung des SEI fördert den Abbau des Elektrolyten, der die SEI-Schicht verdickt und zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes und der Erschöpfung der Elektrolytkomponenten führt.
Die schwammartige oder elastische Eigenschaft des Substrats 118 ist besonders vorteilhaft für die Verwendung in einer Lithiumionenbatterie unter Verwendung von elektroaktiven Materialien, die eine signifikante Volumenexpansion erfahren, wie etwa siliziumhaltigen Materialien. Die Partikel 112 aus elektroaktivem Material können sich in den Hohlräumen 120 des Substrats 118 ausdehnen und zusammenziehen. Die schwammartige oder netzartige Struktur des Substrats 118 ermöglicht eine Ausdehnung und Kontraktion der Partikel 112 aus elektroaktivem Material, ohne das Substrat 118 zu zerbrechen. Als ein Ergebnis bleiben die elektroaktiven Materialien 112 in Kontakt mit den elektrisch leitfähigen Partikeln 114. Somit verringert die Fähigkeit des Substrats 118, sich mit Lithiierung und Delithiierung auszudehnen und zusammenzuziehen, die mit elektroaktiven Materialien verbundenen Herausforderungen, die eine signifikante Volumenexpansion erfahren.
Die obigen Eigenschaften führen zu Batterien mit verbesserten Leistungseigenschaften, wie beispielsweise einer erhöhten Belastung des aktiven Materials und einer höheren Flächenkapazität. Insbesondere kann in bestimmten Variationen eine negative Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine Belastung mit aktivem Material von mehr als oder gleich etwa 7 mAh/cm² bis weniger als oder gleich etwa 11 mAh/cm² aufweisen. Somit kann die Beladung mit aktivem Material im Vergleich zu kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden, die typischerweise eine Beladung mit aktivem Material von etwa 3 bis 4 mAh/cm² aufweisen.
Die negative Elektrode kann gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine erste spezifische Kapazität von mehr als oder gleich etwa 1250 mAh/ g und weniger als oder gleich etwa 1500 mAh/g aufweisen. Somit ist die spezifische Kapazität, wenn sie mit einer Graphitelektrode verglichen wird, die eine erste spezifische Kapazität von etwa 372 mAh/g aufweist, verbessert. Die Energiedichte kann durch Variieren der Porosität und der Dicke der Elektrode optimiert werden. Die Porosität kann, als nicht einschränkendes Beispiel, größer oder gleich etwa 20 % und weniger als oder gleich etwa 90 %, optional kleiner oder gleich etwa 70 % sein. Die Porengröße kann proportional zu der Partikelgröße des aktiven Materials sein. Die Dicke kann, als nicht einschränkendes Beispiel, größer als oder gleich etwa 50 µm und kleiner als oder gleich etwa 200 µm, optional kleiner als oder gleich etwa 130 µm sein.
In bestimmten anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein anderes negatives Elektrodenmaterial 210 bereit. Bezugnehmend auf 3A beinhaltet das Elektrodenmaterial 210 elektroaktives Material 212 und ein Bindemittel 214, das dem elektroaktiven Material 112 bzw. dem Bindemittel 116 von 2 ähnlich ist. Das Elektrodenmaterial 210 beinhaltet ferner ein leitfähiges poröses hydrophiles Substrat 216 mit einer Vielzahl von Hohlräumen 218. Die elektroaktiven Materialien 212 sind in mindestens einem Teil der Hohlräume 218 dispergiert. Unter Bezugnahme auf 3B beinhaltet das leitfähige Substrat 216 ein poröses hydrophiles Substrat 220 mit einer äußeren Oberfläche 222. Die äußere Oberfläche 222 ist mit einem elektrisch leitfähigen Material 224 beschichtet. Das elektrisch leitfähige Material 224 kann beispielsweise leitfähige metallische Beschichtungen, leitfähige Polymerbeschichtungen oder kohlenstoffhaltige Beschichtungen beinhalten. Leitfähige Polymere beinhalten als nicht einschränkendes Beispiel Polyacetylene (PAC), Polypyrrole (PPY) und Polyaniline (PANI). In bestimmten anderen Aspekten kann ein Elektrodenmaterial beide elektrisch leitfähige Partikel beinhalten, wie in 2 gezeigt und ein beschichtetes leitfähiges poröses hydrophiles Substrat, wie in den 3A-3B gezeigt.
Das leitfähige poröse hydrophile Substrat 216 bietet mehrere Vorteile, wenn das Elektrodenmaterial 210 in einer elektrochemischen Zelle verwendet wird. Das leitfähige Substrat 216 kann die Elektrodenleistung verbessern, indem der Stromweg von dem Elektrodengerüst zu den aktiven Materialien verringert wird, wodurch der interne Zellenwiderstand verringert wird. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 224 kann auch die Menge an elektrisch leitfähigen Füllstoffpartikeln reduzieren oder sie vollständig eliminieren, wie in 3A gezeigt. In bestimmten Aspekten kann das leitfähige Substrat 216 auch als ein Stromabnehmer in der elektrochemischen Zelle dienen.
In einigen Aspekten ermöglicht die poröse Struktur des Substrats das Stapeln mehrerer Elektroden in einer einzelnen Knopfzelle (nicht dargestellt). Elektrolyt kann durch die Hohlräume in dem Substrat fließen, wodurch die Menge an aktivem Material pro Knopfzelle erhöht wird. Eine Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann mit einem Folienstromabnehmer, einem Gitterstromabnehmer oder einem streifenfreien Stromabnehmer als nicht einschränkendes Beispiel verwendet werden.
In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. Das Verfahren beinhaltet das Auftragen einer Aufschlämmung, die Wasser, ein Bindemittel und ein elektroaktives Material enthält, auf mindestens eine Seite eines porösen hydrophilen Substrats, um ein beschichtetes Substrat zu bilden. Die Aufschlämmung kann als nicht einschränkendes Beispiel durch Gießen, Tauchbeschichten oder Streuablagerungsverfahren auf das Substrat aufgebracht werden. Die Aufschlämmungsbeschichtung kann relativ einheitlich sein. Das Bindemittel und das elektroaktive Material können dem Bindemittel 116 und dem elektroaktiven Material 112 von 2 ähnlich sein. Das Substrat kann Cellulose (C₆H₆O₅)_n oder Derivate davon beinhalten, ähnlich dem Substrat 118 von 2. Die Aufschlämmung kann auf eine Seite oder mehrere Seiten des leitfähigen Substrats aufgebracht werden. Wenn die Aufschlämmung auf mehrere Seiten des Substrats aufgebracht wird, kann das beschichtete Substrat zwischen dem Beschichten einer ersten Seite und einer zweiten Seite getrocknet werden. Die Aufschlämmung kann einige oder alle einer Vielzahl von Hohlräumen in dem Substrat ausfüllen.
Das Verfahren beinhaltet ferner das Trocknen des beschichteten Substrats zur Bildung der negativen Elektrode. Der Trocknungsschritt kann bei Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 60 °C und weniger als oder gleich etwa 90 °C für eine Dauer von mehr als oder gleich etwa 4 Stunden und weniger als oder gleich etwa 16 Stunden durchgeführt werden.
Die Bildung der Aufschlämmung kann das Mischen einer Bindemittelvorstufe und Wasser beinhalten, um eine Bindemittellösung zu erzeugen. Das Wasser und das Bindemittel können gerührt werden, bis das Bindemittel gelöst ist. Das Rühren kann für eine Dauer von mehr als oder gleich etwa 1 Minute und weniger als oder gleich etwa 15 Minuten ausgeführt werden. Es kann auch für mehr als oder gleich etwa 30 Minuten und weniger als oder gleich etwa 90 Minuten im Ultraschallbad behandelt werden, um eine vollständige Auflösung des Bindemittels in dem Wasser sicherzustellen. Das elektroaktive Material kann zu der Bindemittellösung zugegeben werden, um die Aufschlämmung zu bilden. Die Aufschlämmung kann für mehr als oder gleich etwa 1 Minute und weniger als oder gleich etwa 15 Minuten gerührt werden. Die Aufschlämmung kann auch für mehr als oder gleich etwa 30 Minuten und weniger als oder gleich etwa 90 Minuten im Ultraschallbad behandelt werden.
Wenn ein elektrisch leitfähiges Füllmaterial verwendet wird, können das elektrisch leitfähige Material und das elektroaktive Material zugemischt werden, um vor der Herstellung der Aufschlämmung eine Partikelmischung zu bilden. Das elektroaktive Material kann zu mehr als oder gleich etwa 50 Massen-% der Aufschlämmung und zu weniger als oder gleich 90 Massen-% der Aufschlämmung, optional zu 70 Massen-% der Aufschlämmung vorliegen. Das Bindemittel kann bei mehr als oder gleich etwa 0,5 Massen-% der Aufschlämmung und bei weniger als oder gleich 50 Massen-% der Aufschlämmung, gegebenenfalls 7,5 Massen-% der Aufschlämmung vorliegen. Das elektrisch leitfähige Material kann bei mehr als oder gleich etwa 0,5 Massen-% der Aufschlämmung und weniger als oder gleich 50 Massen-% der Aufschlämmung, optional 22,5 Massen-% der Aufschlämmung vorliegen.
Das Verfahren kann ferner das Aufbringen einer leitfähigen Oberflächenbeschichtung auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des porösen hydrophilen Substrats beinhalten, um ein leitfähiges hydrophiles Substrat zu bilden. Der Beschichtungsprozess kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Atomlagenabscheidung (ALD) physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), chemischer Dampfinfiltration, Nass-Chemie und Kombinationen davon. In anderen Aspekten kann das poröse hydrophile Substrat pyrolysiert werden, um Ruß zu bilden. Pyrolysieren kann bei Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C und weniger als oder gleich etwa 700 °C stattfinden.
Beispiel 1
Siliziumoxid(SiO)-Elektrodenaufschlämmungen werden hergestellt, indem zuerst 125 mg Natriumalginat(NaCl₆H₉O₇)-Bindemittel (Sigma Aldrich) in 10 ml entionisiertem Wasser aufgelöst werden. Die Mischung wird mechanisch gerührt, bis sie größtenteils gelöst ist, und dann sechzig (60) Minuten lang im Ultraschallbad behandelt, um eine vollständige Auflösung des Bindemittels sicherzustellen und eine Bindemittellösung zu erzeugen. Eine feste Mischung aus 1,4 g SiO-Pulver (>99 %, 325 Mesh, Sigma Aldrich) und 0,425 g Super-P C65-Ruß werden grobgemischt, um eine Partikelbeimischung zu erzeugen. Nach der Behandlung im Ultraschallbad wird die Partikelbeimischung der Bindemittellösung zugesetzt und mechanisch für fünf (5) bis zehn (10) Minuten gerührt. Die Bindemittellösung und die Partikelbeimischung werden weitere sechzig (60) Minuten lang im Ultraschallbad behandelt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Die hergestellte Aufschlämmung wird auf beide Seiten eines 10 × 10 cm großen Abschnitts von KIMWIPE® gegossen, das als poröses hydrophiles Substrat verwendet wird, um ein beschichtetes Substrat zu bilden. Ein Fünf (5)-Minuten-Lufttrocknungsschritt bei Raumtemperatur ist zwischen dem Umdrehen des Substrats enthalten, um zu verhindern, dass aktives Material an dem Substrat anhaftet, auf dem es gegossen wurde. Das beschichtete Substrat wird über Nacht bei 80 °C an der Luft getrocknet und in einen mit Argon (Ar) gefüllten Isolator überführt. Siliciummetallanoden werden in identischer Weise hergestellt (99,999 %, 325 Mesh, Alfa Aesar). Die Zellkonstruktion involviert die Verwendung eines Polypropylen-Separators, der mit 100 µl 1M LiPF 6 in EC/DEC und einer Lithium (Li)-Metall-Gegenelektrode gekoppelt ist. Für die Zyklenstabilitätsstudien wird nur eine einzige gestanzte SiO-Anode verwendet.
Das obige Verfahren wird verwendet, um eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode herzustellen. Das Verfahren wird wiederholt, wobei das Bindemittel durch Natrium-CMC ersetzt wird, um eine dritte Elektrode zu erzeugen. Bezugnehmend auf 4A ist die elektrochemische Leistung 310 der verschiedenen Elektroden gezeigt. Die y-Achse 312 zeigt die spezifische Kapazität in mAh/g und die x-Achse 314 zeigt die Zykluszahl. Die Leistung der ersten Elektrode ist bei 316 gezeigt, die Leistung der zweiten Elektrode ist bei 318 gezeigt, die Leistung der dritten Elektrode ist bei 320 gezeigt, und die Leistung einer vierten Elektrode mit einem Kupfersubstrat anstelle eines porösen hydrophilen Substrats ist bei 322 gezeigt. Der erste Lade-/Entladezyklus beinhaltet eine reversible Kapazität von etwa 1250 mAh/g für die erste und die zweite Elektrode 316, 318. Das in Beispiel 1 verwendete Siliciummonoxidmaterial ist jedoch nicht für Batterieanwendungen ausgelegt, daher kann die Kapazität durch die Verwendung von Materialien mit Batteriequalität verbessert werden. Zum Beispiel kann eine mit Materialien von Batteriequalität hergestellte Elektrode eine spezifische Kapazität von etwa 1500 mAh/g haben. Obwohl die vierte Elektrode 322 nach dem ersten Lade-/Entladezyklus eine ähnliche reversible Kapazität aufweist, fällt ihre Leistung nach drei Zyklen unter die der ersten, zweiten und dritten Elektrode 316, 318, 320.
Bezugnehmend auf 4B ist der Coulombsche Wirkungsgrad verschiedener Elektroden 410 gezeigt. Die y-Achse 412 zeigt den Coulombschen Wirkungsgrad und die x-Achse 414 zeigt die Zykluszahl. Der Wirkungsgrad der ersten Elektrode ist bei 416 gezeigt, der Wirkungsgrad der zweiten Elektrode ist bei 418 gezeigt, der Wirkungsgrad der dritten Elektrode ist bei 420 gezeigt und der Wirkungsgrad der vierten Elektrode ist bei 422 gezeigt. Der erste Lade-/Entladezyklus beinhaltet einen Coulombschen Wirkungsgrad von etwa 50 % für jede der ersten, zweiten und dritten Elektroden 416, 418, 420. Der niedrige Wirkungsgrad des ersten Zyklus ist sowohl auf die Bildung der anfänglichen SEI-Schicht als auch auf die Erzeugung von irreversiblen Lithiumsilikaten und -oxiden zurückzuführen. Der Wirkungsgrad für die erste, zweite und dritte Elektrode 416, 418, 420 nähert sich bei nachfolgenden Zyklen schnell 100 %, was auf eine Stabilisierung der irreversiblen Reaktionen hindeutet. Bemerkenswerterweise kann der erste Wirkungsgrad etwa 70 % betragen, wenn Materialien mit Batteriequalität verwendet werden. Der Coulomb-Wirkungsgrad der vierten Elektrode 422 ist im Vergleich zu dem der ersten, zweiten und dritten Elektroden 416, 418, 420 durchgehend niedrig.
Beispiel 2
Unter Verwendung dieses Substratmaterials wird die Energiedichte der Batteriezellen in Wh/L abgeschätzt, wenn Materialien mit Batteriequalität für die Kathode und die Anode verwendet werden. Ein nickelreiches Material wird als das elektroaktive Material für die Kathode verwendet, und das Siliciummonoxidmaterial wird als das elektroaktive Material für die Anode verwendet. Das Siliciummonoxid der Anode ist in mindestens einigen der Hohlräume eines Cellulosesubstrats dispergiert. Die Anode hat eine spezifische Kapazität von 1600 mAh/g, vorlithiiert. Es wird angenommen, dass die Anode 50 % Porosität und 72 % aktives Material aufweist.
Bezugnehmend auf 5 ist die geschätzte Energiedichte 510 gezeigt. Die y-Achse 512 zeigt die Energiedichte in Wh/L und die x-Achse 514 zeigt die Anodenbeschichtungsdicke in µm. Wie in dem Diagramm 510 gezeigt, ist eine Energiedichte von mehr als 800 Wh/L möglich. Die Energiedichte einer ersten Anode mit 50 % Porosität ist bei 516 gezeigt, und die Energiedichte einer zweiten Anode mit 40 % Porosität ist bei 518 gezeigt. Die erste Anode 516 hat eine höhere Porosität und eine niedrigere Energiedichte. Die zweite Anode hat eine geringere Porosität und eine höhere Energiedichte. Darüber hinaus nimmt die Energiedichte für sowohl die erste als auch die zweite Elektrode zu, wenn die Anodenbeschichtungsdicke zunimmt. Somit sind höhere Energiedichten mit optimiertem Elektrodendesign möglich.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle, worin das Elektrodenmaterial umfasst: ein poröses hydrophiles Substrat mit einer Vielzahl von Hohlräumen; ein elektroaktives Material; ein elektrisch leitfähiges Partikel; und ein Bindemittel; worin das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Partikel in mindestens einem Teil der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert sind.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, worin das poröse hydrophile Substrat Cellulose (C₆H₆O₅)_n oder Derivate davon umfasst.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, worin das poröse hydrophile Substrat eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 20 Vol.-% und weniger als oder gleich etwa 70 Vol.-% aufweist.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, worin das elektrisch leitfähige Partikel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Nickelpulver, Metallpartikeln, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, worin eine Oberfläche des porösen hydrophilen Substrats zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist.
Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, worin das Bindemittel wasserlöslich und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Natriumalginat, Xanthangummi, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylsäure (PAA) und Kombinationen davon, und das elektroaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Silicium (Si), Siliciummonoxid (SiO), Siliciumdioxid (SiO₂), SiSn, SiFe, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, Germanium (Ge), Germaniumoxid (GeO₂), Zinn (Sn), Zinnoxid (SnO)₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Legierungen und Kombinationen davon.
Elektrochemische Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfassend: eine negative Elektrode, umfassend ein poröses hydrophiles Substrat mit einer Vielzahl von Hohlräumen und umfassend Cellulose oder ein Derivat davon, ein negatives elektroaktives Material, ein elektrisch leitfähiges Partikel und ein Bindemittel; eine positive Elektrode, umfassend ein Übergangsmetall; eine Trenneinrichtung; und einen Elektrolyten; worin das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Partikel in mindestens einem Teil der Hohlräume des porösen hydrophilen Substrats dispergiert sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, worin das elektrisch leitfähige Partikel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhrchen, Nickelpulver, Metallpartikeln, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, worin eine Oberfläche des porösen hydrophilen Substrats mindestens teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, worin die negative Elektrode zu einer Beladung mit aktivem Material von mehr als oder gleich etwa 7 mAh/cm² und weniger als oder gleich etwa 11 mAg/cm² fähig ist und nach 40 Zyklen von Lithium-Ionen-Interkalation und -Deinterkalation eine spezifische Kapazität von mehr als oder gleich etwa 700 mAh/g in der negativen Elektrode der elektrochemischen Zelle hat.