DE102018104086A1 - Lithiumionenbatterien einschliesslich ionenausgetauschter zeolithpartikel - Google Patents

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Mei Cai
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Abstract

Eine elektrochemische Zelle einer sekundären Lithiumionenbatterie beinhaltet lithiumionen-ausgetauschte Zeolithpartikel oder „lithiierte Zeolithpartikel“, die entlang mindestens eines Abschnitts eines durch die elektrochemische Zelle verlaufenden Lithiumionentransportpfads positioniert sind. Die lithiierten Zeolithpartikel können innerhalb des durch die elektrochemische Zelle verlaufenden Lithiumionentransportpfads positioniert sein, zum Beispiel indem sie durch einen gesamten Elektrolyt verteilt sind, der zwischen gegenüberliegenden Vorderflächen einer negativen Elektrode und einer positiven Elektrode angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ können die lithiierten Zeolithpartikel innerhalb des durch die elektrochemische Zelle verlaufenden Lithiumionentransportpfads positioniert sein, indem sie durch eine Beschichtungsschicht der negativen Elektrode, der positiven Elektrode und/oder eines porösen Abscheiders, der zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen der negativen und der positiven Elektrode eingeschlossen ist, verteilt oder darauf abgeschieden sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Lithiumionenbatterien und insbesondere Materialien für Lithiumionenbatterien.
  • HINTERGRUND
  • Eine Batterie ist eine Vorrichtung, die chemische Energie in elektrische Energie durch elektrochemische Reduktion-Oxidations (Redox)-Reaktionen umwandelt. In sekundären oder wiederaufladbaren Batterien sind diese elektrochemischen Reaktionen reversibel, weswegen die Batterien imstande sind, mehrere Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen.
  • Sekundäre Lithiumionenbatterien beinhalten im Allgemeinen eine oder mehrere elektrochemische Zellen, die eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Elektrolyt für das Leiten von Lithiumionen zwischen der negativen und der positiven Elektrode aufweisen. Ein poröser Abscheider, der mit einer flüssigen elektrolytischen Lösung benetzt ist, kann zwischen den Elektroden eingeschlossen sein, um die Elektroden physisch voneinander zu trennen und elektrisch voneinander zu isolieren, während gleichzeitig ein freier Ionenfluss ermöglicht wird. Jede der negativen und positiven Elektroden ist in der Regel durch einen metallischen Stromkollektor weitergeführt oder damit verbunden. Die Stromkollektoren können durch eine unterbrechbare externe Schaltung miteinander verbunden sein, durch die Elektronen von einer Elektrode zur anderen fließen können, während Lithiumionen durch die elektrochemische Zelle durch Laden und Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung fließen.
  • Die positive Elektrode in einer Lithiumionenbatterie umfasst in der Regel ein lithiumbasiertes Material für den Einlagerungs-Host, der das reversible Einsetzen oder die Einlagerung von Lithiumionen durchlaufen kann. Die negative Elektrode umfasst in der Regel ein Material für den Einlagerungs-Host, der das reversible Einsetzen oder die Einlagerung von Lithiumionen bei einem niedrigeren elektrochemischen Potenzial als das Material der positiven Elektrode durchlaufen kann, sodass eine elektrochemische Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden besteht. Der Elektrolyt umfasst ein Material, das sich für das Leiten von Lithiumionen eignet und in fester oder flüssiger Form vorkommen kann. Ein geeigneter nicht wässriger flüssiger Elektrolyt kann eine Lösung umfassen, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln gelöstes oder ionisierte Lithiumsalz enthält.
  • Lithiumionenbatterien können ein zugeordnetes Ladegerät auf Anforderung reversibel mit Strom versorgen. Genauer gesagt kann ein Ladegerät durch eine Lithiumionenbatterie mit Strom versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode auf effektive Weise aufgebraucht worden ist. Die Batterie kann dann durch Zuführung eines geeigneten direkten elektrischen Stroms in die entgegengesetzte Richtung zwischen den Elektroden wiederaufgeladen werden.
  • Durch Entladen enthält die negative Elektrode eine relativ hohe Konzentration an eingelagertem Lithium, das in Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Die Lithiumionen fließen durch die negative Elektrode (Anode) zu der positiven Elektrode (Kathode) durch den Elektrolyt. Zur selben Zeit fließen Elektronen durch die externe Schaltung von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Die Lithiumionen werden durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen. Die Batterie kann nach einer ganzen oder teilweisen Entladung ihrer zur Verfügung stehenden Kapazität durch eine externe Stromquelle wiederaufgeladen werden, welche die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umkehrt.
  • Während der Entladung wird eingelagertes Lithium in der positiven Elektrode zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert. Die Lithiumionen fließen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode über den Elektrolyt und die Elektronen fließen durch die externe Schaltung zur negativen Elektrode. Die Lithiumionen werden an der negativen Elektrode zu elementaren Lithium reduziert und im Material der negativen Elektrode zur Wiederverwendung gelagert.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Eine elektrochemische Zelle für eine Lithiumionenbatterie kann eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, die von der negativen Elektrode beabstandet ist und ein Elektrolyt, das in die negative Elektrode und die positive Elektrode eindringt und zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist, umfassen. Ein Lithiumionentransportpfad kann sich durch die negative Elektrode, die positive Elektrode und den Elektrolyt erstrecken. Lithiierte Zeolithpartikel können zwischen mindestens einem Abschnitt des Lithiumionentransportpfads positioniert sein. Eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen kann in Serie oder einer parallelen Anordnung geschaltet sein, um eine Lithiumionenbatterie auszubilden.
  • Der Elektrolyt kann eine flüssige elektrolytische Lösung umfassen, die ein Lithiumsalz enthält, das in einem nicht-wässrigen, aprotischen, organischen Lösungsmittel aufgelöst ist und die lithiierten Zeolithpartikel können in der flüssigen elektrolytischen Lösung suspendiert oder hineingemischt werden.
  • Der Elektrolyt kann einen Gelpolymerelektrolyt umfassen und die lithiierten Zeolithpartikel können durch den Elektrolyt verteilt werden.
  • Ein poröser Abscheider kann zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet und mit dem Elektrolyt infiltriert sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können durch den porösen Abscheider verteilt sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können die erste Seite des porösen Abscheiders, der der negativen Elektrode zugewandt ist, eine gegenüberliegende zweite Seite des porösen Abscheiders, der der positiven Elektrode zugewandt ist oder sowohl die erste als auch die zweite Seite des porösen Abscheiders abdecken.
  • Der Abscheider kann eine erste Schicht und eine an der ersten Schicht angrenzenden zweiten Schicht umfassen, und die lithiierten Zeolithpartikel können entlang einer Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Schicht des Abscheiders verteilt sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können durch die negative Elektrode, die positive Elektrode oder sowohl die negative als auch die positive Elektrode hindurch verteilt sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können die vordere Oberfläche der negativen Elektrode, die vordere Oberfläche der positiven Elektrode, oder die vordere Oberfläche der sowohl negativen als auch der positiven Elektrode abdecken.
  • Die elektrochemische Zelle kann einen an der negativen Elektrode angrenzenden Stromkollektor der negativen Elektrode und einen an der positiven Elektrode angrenzenden Stromkollektor der positiven Elektrode beinhalten.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können an einer Oberfläche des Stromkollektors der negativen Elektrode oder des Stromkollektors der positiven Elektrode oder an der Oberfläche des Stromkollektors der sowohl negativen als auch der positiven Elektrode angeordnet sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können Partikel eines dehydrierten Zeolithmaterials umfassen, das ein Si:Al Verhältnis im Bereich von 1:1 bis 2:1 aufweist und das ein Gerüsttyp aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: ABW, AFG, ANA, BIK, CAN, EDI, FAU, FRA, GIS, GME, JBW, LAU, LEV, LIO, LOS, LTA, LTN, NAT, PAR, PHI, ROG, SOD, WEN, THO, und TSC.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können Partikel eines dehydrierten Zeolithmaterials umfassen, das ein Si:Al Verhältnis im Bereich von 2:1 bis 5:1 aufweist und das ein Gerüsttyp aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: BHP, BOG, BRE, CAS, CHA, CHI, DAC, EAB, EMT, EPI, ERI, FAU, FER, GOO, HEU, KFI, LOV, LTA, LTL, MAZ, MEI, MER, MON, MOR, OFF, PAU, RHO, SOD, STI, und YUG.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können Partikel eines dehydrierten Zeolithmaterials umfassen, das ein Si:Al Verhältnis im Bereich von mehr als 5:1 aufweist und das ein Gerüsttyp aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: ASV, BEA, CFI, CON, DDR, DOH, DON, ESV, EUO, FER, GON, IFR, ISV, ITE, LEV, MEL, MEP, MFI, MFS, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NON, NES, RSN, RTE, RTH, RUT, SFE, SFF, SGT, SOD, STF, STT, TER, TON, VET, VNI, und VSV.
  • Eine elektrochemische Zelle einer sekundären Lithiumionenbatterie kann anhand eines mehrstufigen Prozesses hergestellt werden. Ein mikroporöses Zeolithmaterial kann in Pulverform bereitgestellt werden und kann austauschbare Extragerüst-Kationen aufweisen. Das mikroporöse Zeolithmaterial kann mit einer Lösung, die ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel umfasst, in Kontakt gebracht werden. Der Kontakt zwischen dem Zeolithmaterial und der Lösung kann bei einer ausreichend hohen Temperatur und für einen ausreichend langen Zeitraum durchgeführt werden, damit zumindest einige der austauschbaren Extragerüst-Kationen im Zeolithmaterial durch Lithiumionen ersetzt werden, um ein lithiiertes Zeolithmaterial herzustellen. Das lithiierte Zeolithmaterial kann bei einer Temperatur von mehr als 100°C für einen ausreichend langen Zeitraum erhitzt werden, um das davon absorbierte Wasser zu entfernen, um ein dehydriertes lithiiertes Zeolithmaterial herzustellen. Partikel des dehydrierten Zeolithmaterials können in eine oder mehrere Komponenten einer elektrochemischen Zelle für eine Lithiumionenbatterie integriert werden. Die dehydrierten lithiierten Zeolithpartikel können in einer oder mehreren Komponenten einer elektrochemischen Zelle für eine Lithiumionenbatterie integriert werden, sodass die Partikel entlang mindestens eines Abschnitts eines durch die elektrochemische Zelle verlaufenden Lithiumionentransportpfads positioniert werden.
  • Die dehydrierten lithiierten Zeolithpartikel können vor dem Integrieren der Partikel in eine elektrochemische Zelle für eine Lithiumionenbatterie in einem trockenen Umfeld gelagert werden.
  • Die dehydrierten lithiierten Zeolithpartikel können bei einer Temperatur von mehr als 100 °C für eine ausreichend lange Zeitdauer wiedererhitzt werden, um sich darin befindliche Spuren von Wasser vor dem Integrieren der Partikel in eine elektrochemische Zelle für eine Lithiumionenbatterie zu entfernen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie zusammen den ihr zugeordneten metallischen Stromkollektoren gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
    • 2 ist eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie zusammen den ihr zugeordneten metallischen Stromkollektoren gemäß einem anderen Aspekt der Offenbarung;
    • 3 ist eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle eine Lithiumionenbatterie zusammen den ihr zugeordneten metallischen Stromkollektoren gemäß noch anderen Aspekt der Offenbarung;
    • 4 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle eine Lithiumionenbatterie zusammen den ihr zugeordneten metallischen Stromkollektoren gemäß einem oder mehreren Aspekten der Offenbarung;
    • 5 ist eine perspektivische Teilansicht einer Lithiumionenbatterie einschließlich einer Vielzahl von gestapelten elektrochemischen Zellen gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
    • 6 ist eine schematische Darstellung der Kristallstruktur eines dehydrierten Zeoliths, das auch als ZSM-5 bezeichnet wird;
    • 7 bildet Röntgendiffraktionsmuster (Intensität vs. 2Θ) eines kalzinierten Na-ZSM-5 Materials (70) und eines kalzinierten Li-ZSM-5-Materials (72), das unter Verwendung eines Lithiumionenaustausch-Behandlungsverfahrens aufbereitet wird, gemäß einem Aspekt der Offenbarung;
    • 8 zeigt ein Diagramm einer spezifischen Kapazität (Ah/cm2) vs. einer Zyklusanzahl, welches die spezifische Kapazität einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie einschließlich einer LiPF6/EC/DEC Elektrolytlösung (80) und einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie einschließlich eines LiZ-enthaltenden Elektrolyts (82) abbildet; und
    • 9 zeigt ein Diagramm eines Coulomb-Wirkungsgrads (%) vs. einer Zyklusanzahl das den Wirkungsgrad einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie einschließlich einer LiPF6/EC/DEC Elektrolytlösung (90) und einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie einschließlich eines LiZ-enthaltenden Elektrolyts (92) abbildet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Partikel eines lithiierten Zeolithmaterials können in einer oder mehreren Komponenten einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie integriert werden, um den Abbau verschiedener Batteriekomponenten während des Batteriebetriebs zu verhindern oder abzuschwächen, und um die Lebensdauer und die Zyklusleistung der Batterie zu verbessern. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „lithiiertes Zeolith“ ein Zeolith, das mit Lithiumionen ionenausgetauscht worden ist, sodass eine Vielzahl von Lithiumionen innerhalb des Zeoliths als freie Ionen und/oder als Extragerüst-Ionen vorhanden sind.
  • 1 veranschaulicht auf idealisierte Weise eine elektrochemische Zelle 10 einer Lithiumionenbatterie (nicht dargestellt), die die Partikel eines lithiierten Zeolithmaterials beinhaltet, die innerhalb eines Lithiumionen-Transportpfads durch die elektrochemische Zelle 10 angeordnet sind. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst eine negative Elektrode 12, eine positive Elektrode 14, einen porösen Abscheider 16, und einen Elektrolyt 18, welche jede aus der negativen Elektrode 12, der positive Elektrode 14 und dem porösen Abscheider 16 durchtränkt, infiltriert oder benetzt. Ein Stromkollektor 20 der negativen Elektrode ist an der negativen Elektrode 12 angrenzend positioniert, und ein Stromkollektor 22 einer positiven Elektrode ist an der positiven Elektrode 14 angrenzend positioniert.
  • Die negative Elektrode 12 beinhaltet eine im Verhältnis zum Standort des Abscheiders 16 vordere Oberfläche 24 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 26. Die positive Elektrode 14 ist von der negativen Elektrode 12 beabstandet und beinhaltet auf ähnliche Weise eine vordere Oberfläche 28 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 30. In der Anordnung liegen die vorderen Oberflächen 24, 28 der negativen und der positiven Elektrode 12, 14 einander gegenüber, wobei der Abscheider 16 zwischen den gegenüberliegenden vorderen Oberflächen 24, 28 der negativen und der positiven Elektrode 12, 14 eingeschlossen ist. Insbesondere beinhaltet der Abscheider 16 eine erste Seite 32, die der negativen Elektrode 12 zugewandt ist und eine gegenüberliegende zweite Seite 34, der positiven Elektrode 14 zugewandt ist. Der Stromkollektor 20 der negativen Elektrode ist mit dem hinteren Teil 26 der negativen Elektrode 12 verbunden oder steht damit in Eingriff und der Stromkollektor 22 der positiven Elektrode ist mit der hinteren Oberfläche 30 der positiven Elektrode 14 verbunden oder steht damit in Eingriff.
  • Die elektrochemische Zelle 10 kann eine Dicke aufweisen, die gemessen von einer Außenfläche des Stromkollektors 20 der negativen Elektrode zu einer gegenüberliegenden Außenfläche des Stromkollektors 22 der positiven Elektrode, zwischen weniger als 100 Mikrometer bis etwa 1 Millimeter beträgt. Für sich genommen können die Stromkollektoren 20, 22 Dicken von etwa 20 Mikrometer aufweisen, die Elektroden 12, 14 können Dicken von bis zu 200 Mikrometer aufweisen und der Abscheider kann eine Dicke von etwa 25 Mikrometer aufweisen.
  • Die negative Elektrode 12 kann jedes Material umfassen, das reversibles Einsetzen oder die Einlagerung von Lithiumionen bei einem niedrigeren elektrochemischen Potenzial als das Material der positiven Elektrode 14 durchlaufen kann, sodass eine elektrochemische Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden 12, 14 besteht. Das Material der negativen Elektrode 12 kann im Allgemeinen als ein Material für den Einlagerungs-Host beschrieben werden. Einige Beispiele geeigneter Materialien für den Einlagerungs-Host für die negative Elektrode 12 beinhalten Materialien auf Kohlenstoffbasis, wie etwa Graphit, Silizium, Legierungen auf Siliziumbasis oder Verbundmaterialien, Zinn, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliziumoxid, Titanoxid und Lithiumtitanat. Das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12 kann mit einem polymeren Bindemittel vermischt sein, um der negativen Elektrode 12 strukturelle Integrität bereitzustellen. Einige Beispiele für geeignete polymere Bindemittel beinhalten Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethoxylcellulose (CMC), Polyacrylsäure und Mischungen davon. Die negative Elektrode 12 kann gegebenenfalls Partikel eines elektrisch leitenden Materials beinhalten, das sehr feine Partikel von zum Beispiel Ruß mit großer Oberfläche umfassen können.
  • Die positive Elektrode 14 kann jedes Material umfassen, das das reversible Einsetzen oder die Einlagerung von Lithiumionen durchlaufen kann. In einer Form umfasst die positive Elektrode 14 ein lithiumbasiertes Material für den Einlagerungs-Host, das ein höheres elektrochemisches Potenzial als das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12 aufweist. Das Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 kann in geeigneter Weise ein geschichtetes Oxid, dargestellt von der Formel LiMeO2, ein olivinartiges Oxid, dargestellt von der Formel LiMePO4, oder ein spinelartiges Oxid, dargestellt von der Formel LiMe2O4 umfassen, wobei Me ein Übergangsmetall ist. Einige Beispiele geeigneter Übergangsmetalle für das Metalloxid des Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 beinhalten Co, Ni, Mn, Fe, P, Al, V, und Kombinationen davon. Genauer gesagt kann das lithiumbasierte Material für den Einlagerungs-Host ein geschichtetes Lithium-Übergangsmetalloxid, wie etwa Lithiumcobaltoxid (LiCoO2) und Lithium-Nickel-Magnesium-Cobaltoxid [Li(NiXMnYCoZ)O2], ein Spinel-Lithiumübergangsmetalloxid, wie etwa Spinel-Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), oder Lithiumfluorphosphat (Li2FePO4F), Lithiumnickeloxid (LiNiO2), Lithiumaluminiummanganoxid (LiXAlYMn1-YO2), Lithiumvanadiumoxid (LiV2O5), oder eine Kombination davon umfassen. Dieselben polymeren Bindemittel-Materialien (PVdF, EPDM, SBR, CMC, Polyacrylsäure) und elektrisch leitfähigen Partikeln (Ruß mit großer Oberfläche), die in der negativen Elektrode 12 verwendet werden, können auch mit dem lithiumbasierten Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 für dieselben Zwecke verwendet werden.
  • Der poröse Abscheider 16 kann jedes Material umfassen, das imstande ist, die Elektroden 12, 14 physikalisch voneinander zu trennen und elektrisch voneinander zu isolieren, während er gleichzeitig einen freien Fluss von Lithiumionen dazwischen erlaubt. Zum Beispiel kann der poröse Abscheider 16 ein Vliesmaterial oder einen mikroporösen polymeren Werkstoff umfassen. Insbesondere kann der poröse Abscheider 16 ein einzelnes Polyolefin oder eine Kombination vom Polyolefinen, wie etwa Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Poly(Tetrafluorethylen) (PTFE), Polyvinylidinfluoride (PVdF) und/oder Poly(Vinylchlorid) (PVC) umfassen. In einer Form kann der poröse Abscheider 16 ein Laminat aus einem oder mehreren polymeren Werkstoffen, wie etwa ein Laminat aus PE und PP, umfassen.
  • Der Elektrolyt 18 kann jedes Material umfassen, das imstande ist, Lithiumionen effektiv durch den Abscheider 16 und zwischen der negativen und der positiven Elektrode 12, 14 zu leiten. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 18 einen nicht-wässrigen flüssigen Elektrolyt umfassen. In einem solchen Fall kann der Elektrolyt 18 eine Lösung umfassen, die ein Lithiumsalz beinhaltet, das in einem nicht wässrigen, aprotischen, organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus nicht wässrigen, aprotischen organischen Lösungsmitteln aufgelöst oder ionisiert ist. Einige geeignete Lithiumsalze, die verwendet werden können, um den Elektrolyt 18 zu erzeugen, beinhalten LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiPF6, und Mischungen davon. Das nicht-wässrige, aprotische organische Lösungsmittel, in dem das Lithiumsalz aufgelöst ist, kann ein cyclisches Carbonat (d. h., Ethylencarbonat, Propylencarbonat), ein acylisches Carbonat (d. h., Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), ein aliphatischer Carbonsäureester (d. h., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat) ein γ-Lacton (d. h., γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), ein acyclischer Ether (d. h., 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), ein cyclischer Ether (d. h., Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) oder eine Mischung davon sein. Als ein weiteres Beispiel kann der Elektrolyt 18 ein Gel oder einen plastifizierten Polymerelektrolyt umfassen. In einem solchen Fall kann der Elektrolyt 18 ein mit einer flüssigen elektrolytischen Lösung durchtränktes Polymer-Host-Material umfassen. Einige Beispiele geeigneter Polymer-Host-Materialien beinhalten Poly(Vinyliden) (PVdF), Poly(Acrylnitril) (PAN), Poly(Methylmethacrylat) (PMMA), Poly(Ethylenoxid) (PEO), Polyacrylate und Poly (Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen) (PVdF-HFP).
  • Die Stromkollektoren 20, 22 der negativen und der positiven Elektrode, die der jeweils negativen und positiven Elektrode 12, 14 zugeordnet sind, können jedes metallische Material umfassen, das imstande ist, freie Elektronen aufzusammeln reversibel zu und von ihren entsprechenden Elektroden 12, 14 durchfließen zu lassen. Zum Beispiel können die Stromkollektoren 20, 22 der positiven und der negativen Elektrode dünne und flexible metallische Folien umfassen. In einer Form kann der Stromkollektor 20 der negativen Elektrode eine Kupferfolie umfassen und der Stromkollektor 22 der positiven Elektrode kann eine Aluminiumfolie umfassen. Andere Arten von Metallfolien oder metallischen Materialien können auf Wunsch natürlich verwendet werden.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können durch Positionieren innerhalb eines durch die elektrochemische Zelle 10 verlaufenden Lithiumionentransportpfads in die elektrochemische Zelle 10 integriert werden. Der Lithiumionentransportpfad kann sich durch die negative Elektrode 12, den Abscheider 16, die positive Elektrode 14, und den Elektrolyt 18, zwischen der hinteren Oberfläche 26 der negativen Elektrode 12 und der hinteren Oberfläche 30 der positiven Elektrode 14 erstrecken. Im Normalbetrieb werden Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 12 und der positiven Elektrode 14 der elektrochemischen Zelle 10 hin- und hergeschickt, und die lithiierten Zeolithpartikel können so positioniert sein, dass die Lithiumionen während dieser Hin- und Herbewegung zwangsläufig auf einen oder mehrere lithiierte Zeolithpartikel auftreffen werden. Während ihrer Bewegung durch die elektrochemische Zelle 10 können die Lithiumionen mit den lithiierten Zeolithpartikeln in Kontakt treten, oder um sie herum- oder durch sie hindurchfließen. Die lithiierten Zeolithpartikel sind formuliert, um die Bewegung bestimmter Substanzen innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 zurückzuhalten oder zu hemmen, ohne den Transport oder den Nettofluss von Lithiumionen durch die elektrochemische Zelle 10 negativ zu beeinträchtigen. Zum Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel formuliert sein, um die Bewegung von Wassermolekülen, Wasserstoffionen, Fluorwasserstoffsäure (HF) und Übergangsmetallionen, wie etwa Mn2+ und Fe2+/3+ Ionen innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 zurückzuhalten oder zu hemmen.
  • Weitere Einzelheiten bezüglich des Lithiumionentransportpfads durch eine elektrochemische Zelle 10 einer Lithiumionenbatterie sind im Folgenden aufgeführt. Die folgende Beschreibung bezieht sich dabei insbesondere auf eine elektrochemische Zelle 10, die LiMn2O4 enthält, das eine Spinel-Kristallstruktur als das lithiumbasierte Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 und Graphit als das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12 aufweist. Durchschnittliche Fachmänner werden jedoch ohne Weiteres verstehen, dass diese Beschreibung im Allgemeinen auf eine Vielzahl von sekundären Lithiumionenbatterien anwendbar ist, die negative und positive Elektroden 12, 14 mit verschiedenen Materialzusammensetzungen aufweisen.
  • Wenn die elektrochemische Zelle 10 sich in einem entladenen Zustand befindet, enthält die positive Elektrode 14 eine relativ hohe Konzentration von eingelagertem Lithium. In einer Form, wenn das lithiumbasierte Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 Spinel-LiMn2O4 umfasst, belegen Gast- oder freie Lithiumionen (Li+) interstitielle Räume, die von den Mn2O4-Polyedergerüsten innerhalb des dreidimensionalen Gerüsts des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host definiert sind. Das Aufladen der elektrochemischen Zelle 10 erfordert die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie, die im Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 gespeichert ist. Ein elektrischer Strom wird auf die elektrochemische Zelle 10 aufgebracht, um den Aufladeprozess einzuleiten. Während des Aufladeprozesses wird das Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 oxidiert, wodurch es zu einer Auslagerung von Li+-Ionen vom Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 gemäß der folgenden irreversiblen elektrochemischen Reaktion kommt: LiMn2O4 ↔ LixMn2O4 + (1 - x)Li+ + (1 - x)e- (1)
  • Gleichzeitig wird ein Elektron freigesetzt und das Mn3+ wird zu Mn4+ oxidiert. Die freigesetzten Li+-Ionen bewegen sich durch die interstitiellen Räume in dem dreidimensionalen Gerüst des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host auf die vordere Oberfläche 28 der positiven Elektrode 14 zu. Die negativ aufgeladenen Elektronen (e-) bewegen sich in entgegengesetzter Richtung auf die hintere Oberfläche 30 der positiven Elektrode 14 durch den Stromkollektor 22 der positiven Elektrode und durch eine externe Schaltung (nicht dargestellt) zu. Vor oder beim Erreichen der vorderen Oberfläche 28 der positiven Elektrode 14 lösen sich die Li+-Ionen in dem Elektrolyt 18 auf oder dringen auf sonstige Weise darin ein, und diffundieren durch den Elektrolyt 18 und den Abscheider 16 von der positiven Elektrode 14 zur negativen Elektrode 12, wobei sie einen Ladungsausgleich innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 aufrechterhalten. Die negativ aufgeladenen Elektronen (e-) werden von der externen Schaltung an der hinteren Oberfläche 26 der negativen Elektrode 12 aufgenommen, mit den Li+-Ionen in der negativen Elektrode 12 wiedervereinigt und zwischen den Graphitschichten oder Gitterebenen des Materials für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12 durch die folgende reversible elektrochemische Reaktion eingelagert: C6 + xLi+ + xe- ↔ LixC6 (2)
  • Wenn die elektrochemische Zelle 10 aufgeladen ist, enthält die negative Elektrode 12 eine relativ hohe Konzentration von eingelagertem Lithium zwischen den Graphitschichten oder Gitterebenen des Materials für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12. Beim Entladen wird diese gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die einer Verbrauchervorrichtung (nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Genauer gesagt wird das eingelagerte Lithium beim Entladen gemäß der vorstehend dargelegten reversiblen elektrochemischen Reaktion (2) oxidiert, wodurch Li+-Ionen und negativ geladene Elektronen (e-) freigesetzt werden. Die freigesetzt Li+-Ionen bewegen sich durch das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 12 und auf die vordere Oberfläche 24 der negativen Elektrode 12 zu. Gleichzeitig bewegen sich die negativ aufgeladenen Elektronen (e-) in entgegengesetzter Richtung auf die hintere Oberfläche 26 der negativen Elektrode 12 durch den Stromkollektor 20 der negativen Elektrode zu und durch die externe Schaltung (nicht dargestellt) zurück. Vor oder beim Erreichen der negativen Elektrode 12 lösen sich die Li+-Ionen in dem Elektrolyt 18 auf und diffundieren durch den Elektrolyt 18 und den Abscheider 16 von der vorderen Oberfläche 24 der negativen Elektrode 12 zu der vorderen Oberfläche 28 der positiven Elektrode 14, wodurch sie einen Ladungsausgleich innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 aufbewahren. Die negativ aufgeladenen Elektronen (e-) werden von der externen Schaltung an der hinteren Oberfläche 30 der positiven Elektrode 14 aufgenommen, mit Li+-Ionen in der positiven Elektrode 14 wiedervereinigt und zwischen dem Gitter des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode 14 gemäß der vorstehend dargelegten irreversiblen elektrochemischen Reaktion (1) eingelagert.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können innerhalb eines Lithiumionentransportpfads durch die elektrochemische Zelle 10 positioniert werden, indem sie in die Materialzusammensetzungen der negativen Elektrode 12, der positiven Elektrode 14, des Abscheiders 16, und/oder des Elektrolyts 18 integriert werden, oder indem sie in beliebige intervenierende Strukturen innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 integriert werden.
  • Unter Bezugnahme auf FIG. 1 können die lithiierten Zeolithpartikel in den Elektrolyt 18 der in die negative Elektrode 12, die positive Elektrode 14 und den porösen Abscheider 16 eindringt, integriert werden. In denjenigen Fällen, in denen der Elektrolyt 18 zum Beispiel eine flüssige Elektrolytlösung umfasst, können die lithiierten Zeolithpartikel in dem Elektrolyt 18 dispergiert oder suspendiert werden oder vor oder nach der Montage der verbliebenen Komponenten der elektrochemischen Zelle 10 mit dem Elektrolyt 18 einfach zusammengemischt werden. In denjenigen Fällen, in denen der Elektrolyt 18 ein Gelpolymerelektrolyt umfasst, können die lithiierten Zeolithpartikel als Füllstoff verwendet und mit den Vorstufenmaterialien, die verwendet werden, um das polymere Host-Material herzustellen, zusammengemischt werden, oder die lithiierten Zeolithpartikel können mit der flüssigen Elektrolytlösung, die das polymere Host-Material während der Herstellung des Gelpolymerelektrolyt durchdringt, suspendiert oder gemischt werden. Die lithiierten Zeolithpartikel können in dem Elektrolyt 18 in einer Menge, die 1-10 Gew.-% des Elektrolyts 18 ausmacht, vorhanden sein. Zum Beispiel kann die Menge der lithiierten Zeolithpartikel in dem Elektrolyt 18 als ein Prozentsatz des Gesamtgewichts des Elektrolyts 18 größer als oder gleich etwa 0,0 Gew.-%, 2,0 Gew.-%, oder 4,0 Gew.-% sein; kleiner als oder gleich etwa 10,0 Gew.-%, 8,0 Gew.-%, oder 6,0 Gew.-% sein; oder zwischen 0,0-10,0 Gew.-%, 2,0-8,0 Gew.-%, oder 4,0-6,0 Gew.-% liegen. In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel in dem Elektrolyt 18 in einer Menge vorhanden sein, die 3-7 Gew.-% des Elektrolyts 18 ausmacht. In einem spezifischen Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel ungefähr 5 Gew.-% des Elektrolyts 18 umfassen.
  • Die 2-4 veranschaulichen zusätzliche exemplarische Ausführungsformen einer lithiierte Zeolithpartikel enthaltenden elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie. Diese exemplarischen Ausführungsformen weisen in vielerlei Hinsicht eine Ähnlichkeit mit den in 1 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsformen auf, und gleiche Bezugszeichen unter den Ausführungsformen bezeichnen allgemein gleiche oder entsprechende Elemente über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungsfiguren hinweg. Dementsprechend sind die Beschreibungen der exemplarischen Ausführungsformen ineinander integriert und die Beschreibung des den exemplarischen Ausführungsformen gemeinen Gegenstands wird hier im Allgemeinen möglicherweise nicht wiederholt. Darüber hinaus schließen die Merkmale der verschiedenen in den 1-4 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsformen einander nicht aus und können in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorhanden sein, ohne vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, selbst wenn derartige Kombinationen und Permutationen hierin nicht ausdrücklich beschrieben sind.
  • 2 veranschaulicht eine andere exemplarische Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 110 einer Lithiumionenbatterie (nicht dargestellt), die die Partikel eines lithiierten Zeolithmaterials beinhaltet, die innerhalb eines Lithiumionen-Transportpfads durch die elektrochemische Zelle 110 angeordnet sind. Wie die in 1 veranschaulichte elektrochemische Zelle 10 umfasst die in 2 veranschaulichte elektrochemische Zelle 110 eine negative Elektrode 112, eine positive Elektrode 114, einen porösen Abscheider 116, einen Elektrolyt 118, einen Stromkollektor 120 der negativen Elektrode, einen Stromkollektor 122 der positiven Elektrode. Der Abscheider 116 ist zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen 124, 128 der negativen und der positiven Elektrode 112, 114 eingeschlossen, und beinhaltet eine erste Seite 132, die der negativen Elektrode 112 zugewandt ist und eine gegenüberliegende zweite Seite 134, die der positiven Elektrode 114 zugewandt ist.
  • In einer in 2 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform sind lithiierte Zeolithpartikel innerhalb eines durch eine elektrochemische Zelle 110 verlaufenden Lithiumionentransportpfads durch Integrieren der lithiierten Zeolithpartikel in den porösen Abscheider 116 angeordnet. Die lithiierten Zeolithpartikel können gleichmäßig durch den gesamten Abscheider 116 dispergiert sein oder die Partikel können innerhalb eines Abschnitts des Abscheiders 116 dispergiert sein. Die lithiierten Zeolithpartikel können durch jedes geeignete Verfahren, das während oder nach der Herstellung des Abscheiders 116 durchgeführt werden kann, in den porösen Abscheider 116 miteinbezogen werden. Zum Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel als Füllstoff verwendet werden und mit den Vorstufenmaterialien, die in dem Herstellungsprozess des Abscheiders verwendet werden, vermischt werden. In so einem Fall können die lithiierten Zeolithpartikel in das Material des Abscheiders 116 während dessen Ausbildung miteingebettet werden. Oder die lithiierten Zeolithpartikel können nach der Ausbildung des Abscheiders 16 in dessen Poren angeordnet oder darin imprägniert werden. In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel vor der Extrusion mit einem Polyolefin-Harz gemischt werden. In einer anderen Form kann der Abscheider 116 eine geschichtete Struktur aufweisen und die lithiierten Zeolithpartikel können in den porösen Abscheider 116 integriert werden, indem sie entlang einer Verbindung zwischen angrenzenden Schichten des Abscheiders 116 verteilt werden. Zum Beispiel können Schichten von Vliesmaterial oder mikroporösem polymerem Material zusammen laminiert werden, sodass Partikel der lithiierten Zeolithpartikel zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Schichten positioniert sind.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können in dem porösen Abscheider 116 in einer Menge, die 5-50 Vol.-% des Abscheiders 116 ausmacht, vorliegen. Zum Beispiel kann die Menge der lithiierten Zeolithpartikel in dem porösen Abscheider 116 als ein Prozentsatz des Gesamtvolumens des porösen Abscheiders 116 größer als oder gleich etwa 5,0 Vol.-%, 10,0 Vol.-%, oder 20,0 Vol.-% sein; kleiner als oder gleich etwa 50,0 Vol.-%, 40,0 Vol.-%, oder 30,0 Vol.-% sein; oder zwischen 5,0-50,0 Vol.-%, 10,0-40,0 Vol.-%, oder 20,0-30,0 Vol.-%. liegen. In einem spezifischen Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel ungefähr 25 Vol.-% des Abscheiders 116 umfassen.
  • 3 veranschaulicht eine andere exemplarische Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 210 einer Lithiumionenbatterie (nicht dargestellt), die die Partikel eines lithiierten Zeolithmaterials beinhaltet, die innerhalb eines Lithiumionen-Transportpfads durch die elektrochemische Zelle 210 angeordnet sind. Die elektrochemische Zelle 210 umfasst eine negative Elektrode 212, eine positive Elektrode 214, einen porösen Abscheider 216, einen Elektrolyt 218, einen Stromkollektor 220 der negativen Elektrode, einen Stromkollektor 222 der positiven Elektrode. Die negative Elektrode 212 beinhaltet eine im Verhältnis zum Standort des Abscheiders 216 vordere Oberfläche 224 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 226. Die positive Elektrode 214 beinhaltet auf ähnliche Weise eine vordere Oberfläche 228 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 230. In der Anordnung liegen die vorderen Oberflächen 224, 228 der negativen und der positiven Elektrode 212, 214 einander gegenüber, wobei der Abscheider 216 dazwischen eingeschlossen ist.
  • In einer in 3 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform sind lithiierte Zeolithpartikel innerhalb eines durch eine elektrochemische Zelle 210 verlaufenden Lithiumionentransportpfads durch Integrieren der lithiierten Zeolithpartikel in die negative Elektrode 212 und/oder die positive Elektrode 214 angeordnet. Die lithiierten Zeolithpartikel können durch jedes geeignete Verfahren, das während oder nach der Herstellung der Elektroden 212, 214 durchgeführt werden kann, in die negative Elektrode 212 und/oder die positive Elektrode 214 miteinbezogen werden. Die lithiierten Zeolithpartikel können durch die gesamte negative Elektrode 212 und/oder die gesamte positive Elektrode 214 gleichmäßig dispergiert werden, oder die Partikel können innerhalb eines Abschnitts der negativen Elektrode 212 und/oder der positiven Elektrode 214 dispergiert werden. Zum Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel mit dem Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrode 212 und/oder der positiven Elektrode 214, einem polymeren Bindemittel, und wahlweise Partikeln eines elektrisch leitfähigen Materials, um eine Aufschlämmung auszubilden zusammengemischt werden. Die lithiierten Zeolithpartikel enthaltende Aufschlämmung kann auf eine Oberfläche des Stromkollektors 220 der negativen Elektrode oder des Stromkollektors 222 der positiven Elektrode vor der Montage der verbliebenen Komponenten der elektrochemischen Zelle 210 aufgetragen oder aufgegossen werden, wie dies durch durchschnittliche Fachleute auf dem Gebiet verstanden werden wird. Die lithiierten Zeolithpartikel können in der negativen Elektrode 212 und/oder der positiven Elektrode 214 in einer Menge, die 1-20 Gew.-% jeder der Elektroden 212, 214 ausmacht, vorhanden sein. In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel 1-10 Gew.-% der negativen Elektrode 212 und/oder der positiven Elektrode 214 umfassen. In einem spezifischen Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel etwa 5 Gew.-% der negativen Elektrode 212 und/oder der positiven Elektrode 214 umfassen.
  • 4 veranschaulicht eine noch andere exemplarische Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 310 einer Lithiumionenbatterie (nicht dargestellt), die die Partikel eines lithiierten Zeolithmaterials beinhaltet, die innerhalb eines Lithiumionen-Transportpfads durch die elektrochemische Zelle 310 angeordnet sind. Die elektrochemische Zelle 310 umfasst eine negative Elektrode 312, eine positive Elektrode 314, einen porösen Abscheider 316, einen Elektrolyt 318, einen Stromkollektor 320 der negativen Elektrode, einen Stromkollektor 322 der positiven Elektrode. In Anordnung ist der Abscheider 316 zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen 324, 328 der negativen und der positiven Elektrode 312, 314 eingeschlossen, und beinhaltet eine erste Seite 332, die der negativen Elektrode 312 zugewandt ist und eine gegenüberliegende zweite Seite 334, die der positiven Elektrode 314 zugewandt ist.
  • In der in 4 veranschaulichten exemplarischen Ausführungsform sind limitierte Zeolithpartikel innerhalb eines durch die elektrochemische Zelle 110 verlaufenden Lithiumionentransportpfads durch Aufbeschichten oder Abscheiden der lithiierten Zeolithpartikel auf die vordere Oberfläche 324 der negativen Elektrode 312, die vordere Oberfläche 328 der positiven Elektrode 314, die erste Seite 332 des Abscheiders 316, und/oder die zweite Seite 334 des Abscheiders 316 angeordnet. Die lithiierten Zeolithpartikel können zum Beispiel an der vorderen Oberfläche 324 der negativen Elektrode 312 aufbeschichtet oder abgeschieden werden, um eine Beschichtungsschicht 336 auszubilden, an der vorderen Oberfläche 328 der positiven Elektrode 314 aufbeschichtet oder abgeschieden werden, um eine Beschichtungsschicht 338 auszubilden, auf der ersten Seite 332 des Abscheiders 316 aufbeschichtet oder abgeschieden werden, um eine Beschichtungsschicht 340 auszubilden, und/oder auf der zweiten Seite 334 des Abscheiders 316 aufbeschichtet oder abgeschieden werden, um eine Beschichtungsschicht 342 auszubilden. Die Beschichtungsschichten 336, 338, 340, 342 können so ausgebildet werden, dass sie den gesamten Oberflächenbereich oder nur einen Abschnitt des Oberflächenbereichs irgendwelcher der Oberflächen 324, 328 und/oder Seiten 332, 334 abdecken. Die Beschichtungsschichten 336, 338, 340, 342 können eine Dicke von weniger als 5 µm aufweisen. Im Vergleich zu der Dicke des Abscheiders 316 kann die Dicke jeder der Beschichtungsschichten 340, 342 weniger als die des Abscheiders 316 betragen. Genauer gesagt kann die Dicke jeder der Beschichtungsschichten 340, 342 50 % oder weniger als die Dicke des Abscheiders 316 betragen. Die Dicke jeder der Beschichtungsschichten 336, 338 kann weniger als die Dicke der negativen Elektrode 312 und/oder der positiven Elektrode 314 betragen.
  • In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel auf einer Oberfläche aufbeschichtet oder abgeschieden werden, wie etwa einer Innenfläche 356 des Stromkollektors 320 der negativen Elektrode und/oder auf einer Oberfläche, wie etwa einer Innenfläche 358 des Stromkollektor 322 der positiven Elektrode. Die lithiierten Zeolithpartikel können zum Beispiel auf der Innenfläche 356 des Stromkollektors für die negative Elektrode 320 aufbeschichtet oder abgeschieden werden, um eine Beschichtungsschicht 360 auszubilden und/oder auf der Innenfläche 358 des Stromkollektors 322 der positiven Elektrode, um eine Beschichtungsschicht 362 auszubilden.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können auf jede dieser Oberflächen 324, 328, 356, 358 und/oder Seiten 332, 334 durch jedes geeignetes Verfahren aufbeschichtet oder abgeschieden werden. Die lithiierten Zeolithpartikel können zum Beispiel mit einem Bindemittel oder wahlweise einem Lösungsmittel vermischt werden, um eine Aufschlämmung auszubilden, die auf jede der Oberflächen 324, 328, 356, 358 und/oder Seiten 332, 334 aufgetragen oder aufgegossen werden kann. Alternativ kann die lithiierte Zeolithpartikel enthaltende Aufschlämmung mit dem verwendeten Vorstufenmaterial gemeinsam extrudiert werden, um die negative Elektrode 312, die positive Elektrode 314 und/oder den Abscheider 316 auszubilden. Als ein weiteres Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel auf jeder der Oberflächen 324, 328, 356, 358 und/oder 332, 334 der Seiten unter Verwendung eines Atomlagenabscheidungsverfahrens, das die Ausbildung einer dünnen konformen Beschichtung ermöglicht, abgeschieden werden. In einem noch weiteren Beispiel können die lithiierten Zeolithpartikel auf jede der Oberflächen 324, 328, 356, 358 und/oder der Seiten 332, 334 durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), chemische Dampfinfiltration, physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Elektronenstrahlverdampfung, Laserlichtbogenverdampfung, Schleuderbeschichtung, Luftsprühverfahren, Tauchbeschichtung, schichtweise Abscheidung (LBL) oder jedes andere geeignete Verfahren zum Aufbringen von derartigen Beschichtungen auf massiven Werkstoffen aufgetragen werden.
  • Bei Bezugnahme auf FIG. 5 können irgendwelche der elektrochemischen Zellen 10, 110, 210, 310, die in den 1-4 veranschaulicht sind, oder jede beliebige Kombination oder Permutation davon, verwendet oder kombiniert werden, um eine Lithiumionenbatterie 400 herzustellen. Die in 5 veranschaulichte der Lithiumionenbatterie 400 beinhaltet mehrere rechteckig geformte elektrochemische Zellen 410. Zwischen 5 bis 150 elektrochemische Zellen 410 können Seite an Seite in einer modular aufgebauten Konfiguration aufgestapelt und in Serie verbunden werden (obwohl eine parallele Verbindung auch erlaubt ist), um eine Lithiumionenbatterie 400 auszubilden, die zum Verwenden in einem Fahrzeugantriebstrang vorgesehen ist. Die Lithiumionenbatterie 400 kann ferner mit anderen ähnlich aufgebauten Lithiumionenbatterien in Serie oder parallel geschaltet werden, um eine Lithiumionenbatterie-Einheit auszubilden, die die Spannungs- und Strombelastbarkeit aufweist, die für eine bestimmte Fahrzeuganwendung erforderlich ist. Es sollte verstanden werden, dass die in 5 dargestellte Lithiumionenbatterie 400 nur eine schematische Veranschaulichung ist, und nicht dazu bestimmt ist, über die relativen Größen der Komponenten irgendwelcher elektrochemischer Zellen 410 zu informieren oder die große Vielfalt an strukturellen Konfigurationen, die eine Lithiumionenbatterie 400 annehmen kann zu begrenzen. Verschiedene strukturelle Modifikationen der in 5 dargestellten Lithiumionenbatterie 400 sind trotz des explizit Dargestellten möglich.
  • Jede elektrochemische Zelle 410 beinhaltet eine negative Elektrode 412, eine positive Elektrode 414 und einen zwischen den zwei Elektroden 412, 414 positionierten Abscheider 416. Jede aus der negativen Elektrode 412, der positiven Elektrode 414, und dem Abscheider 416 ist mit einem flüssigen Elektrolyt, oder einem Gelpolymerelektrolyt, welche imstande sind, Lithiumionen zu übertragen, imprägniert, infiltriert, oder benetzt. Ein Stromkollektor 420 der negativen Elektrode, der eine negative Polaritätslasche 444 beinhaltet, befindet sich zwischen den negativen Elektroden 412 der benachbarten elektrochemischen Zellen 410. Gleichermaßen befindet sich ein Stromkollektor 422 einer positiven Elektrode, die eine positive Polaritätslasche 446 beinhaltet, zwischen benachbarten positiven Elektroden 414. Die negative Polaritätslasche 444 ist mit einem negativen Anschluss 448 elektrisch verbunden und die positive Polaritätslasche 446 ist mit einem positiven Anschluss 450 elektrisch verbunden. Eine angewandte Kompressionskraft drückt die Stromkollektoren 420, 422 normalerweise gegen die Elektroden 412, 414, und die Elektroden 412, 414 gegen den Abscheider 416, um einen engen Grenzflächenkontakt zwischen den jeweiligen sich berührenden Komponenten jeder elektrochemischen Zelle 410 zu erzielen.
  • Die negativen und die positiven Anschlüsse 448, 450 der Lithiumionenbatterie 400 sind mit einer elektrischen Vorrichtung 452 als Teil einer ununterbrochenen Schaltung 454 verbunden, die zwischen den negativen Elektroden 412 und den positiven Elektroden 414 der vielen elektrochemischen Zellen 410 eingerichtet ist. Die elektrische Vorrichtung 452 kann eine elektrische Last oder eine Stromerzeugungsvorrichtung umfassen. Eine elektrische Last ist eine stromverbrauchende Vorrichtung, die entweder vollständig oder teilweise von einer Lithiumionenbatterie 400 angetrieben wird. Umgekehrt ist eine Stromerzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung, die die Lithiumionenbatterie 400 durch eine angelegte externe Spannung auflädt. Die elektrische Last und die Stromerzeugungsvorrichtung können in einigen Fällen dieselbe Vorrichtung sein. Zum Beispiel kann die elektrische Vorrichtung 452 ein elektrischer Motor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit erweiterter Reichweite sein, das konzipiert wurde, um während dem Beschleunigen mit elektrischem Strom aus der Lithiumionenbatterie 400 versorgt zu werden und die Lithiumionenbatterie 400 während dem Abbremsen mit regenerativem elektrischem Strom zu versorgen. Die elektrische Last und die Stromerzeugungsvorrichtung können auch unterschiedliche Vorrichtungen sein. Zum Beispiel kann die elektrische Last ein Elektromotor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite sein und die Stromerzeugungsvorrichtung kann eine AC-Wandsteckdose, ein Verbrennungsmotor, und/oder eine Fahrzeuglichtmaschine sein.
  • Die Lithiumionenbatterie 400 kann der elektrischen Vorrichtung 452 nützlichen elektrischen Strom mittels reversibler elektrochemischer Reaktionen bereitstellen, die in den elektrochemischen Zellen 410 stattfinden, wenn der unterbrechbare Stromkreis 454 geschlossen wird, um den negativen Anschluss 448 und den positiven Anschluss 450 zu einer Zeit miteinander zu verbinden, zu der die negativen Elektroden 412 eine ausreichende Menge von eingelagertem Lithium (d. h. während des Entladens) enthält. Wenn das eingelagerte Lithium der negativen Elektroden 412 und die Kapazität der elektrochemischen Zellen 410 aufgebraucht sind. Die Lithiumionenbatterie 400 kann durch Anlegen einer von einer elektrischen Vorrichtung 452 stammenden Spannung an die elektrochemischen Zellen 410, um die während des Entladens stattgefundenen elektrochemischen Reaktionen umzukehren, aufgeladen oder wiederaufgeladen werden.
  • Obwohl dies nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, kann die Lithiumionenbatterie 400 eine große Palette anderer Komponenten beinhalten. Zum Beispiel kann die Lithiumionenbatterie 400 Gehäuse, Dichtungen, Anschlussklemmen, und sonstige wünschenswerte Komponenten oder Materialien beinhalten, die aus leistungsbezogenen oder sonstigen praktischen Gründen zwischen den oder um die elektrochemischen Zellen 410 herum positioniert sind, beinhalten. Zum Beispiel kann die Lithiumionenbatterie 400 innerhalb eines Gehäuses (nicht dargestellt) eingeschlossen sein. Das Gehäuse kann ein Metall, wie etwa Aluminium oder Stahl umfassen, oder das Gehäuse kann ein Folienbeutelmaterial mit mehreren Schichten für eine Laminierung umfassen. In einer Form können lithiierten Zeolithpartikel auf einer Oberfläche des Gehäuses für die Lithiumionenbatterie 400 (nicht dargestellt) angeordnet sein.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel, die in den in 1-5 dargestellten verschiedenen Komponenten der elektrochemischen Zellen 10, 110, 210, 310, 410 integriert sind, können im Wesentlichen Partikel eines oder mehrerer dehydrierter natürlicher oder synthetischer Zeolithmaterialien umfassen oder daraus bestehen. Zeolithe sind mikroporöse, kristalline Aluminosilikat-Materialien, die ein dreidimensionales Gitter aus tetraedrischen AlO2 und SiO2 Einheiten und Extragerüst-Kationen umfassen. Jede AlO2-Einheit führt dem Gerüst eine negative Ladung zu, die durch die Extragerüst-Kationen wieder wettgemacht wird. Die Extragerüst-Kationen können organischer oder anorganischer Beschaffenheit sein. Die hier offengelegten lithiierten Zeolithpartikel können ein dreidimensionales Gitter aus tetraedrischen AlO2 und SiO2 Einheiten und Extragerüst-Lithiumkationen (Li+) umfassen. Die in den lithiierten Zeolithpartikeln vorliegende Anzahl an Extragerüst-Lithium-Kationen hängt zumindest abschnittsweise von dem Si:Al-Verhältnis des spezifischen Zeolithmaterials und der Kationenaustauschkapazität (CEC) des Zeolithmaterials ab. In den hierin offengelegten lithiierten Zeolithpartikeln können Lithiumkationen (Li+) mehr als 90% der Extragerüst-Kationen im Zeolithmaterial, mehr als 95% der Extragerüst-Kationen oder mehr als 99% der Extragerüst-Kationen umfassen. Wenn die lithiierten Zeolithpartikel innerhalb einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie angeordnet sind, können sie vor dem Betrieb der Lithiumionenbatterie im Wesentlichen frei von jeglichen und/oder sämtlichen der folgenden Extragerüst-Kationen sein: Na+ und H+.
  • Zeolithmaterialien können basierend auf der kristallinen Struktur ihres eckenverknüpften Netzwerks tetraedrisch koordinierter Atome oder T-Atome (z. B., Si und Al) kategorisiert sein. Zeolithstrukturen sind typischerweise durch Bezugnahme auf ein Gerüsttyp-Code bestehend aus drei Großbuchstaben beschreiben oder definiert und durch die Internationale Zeolithvereinigung („IZA“) zugeordnet. Eine Auflistung aller durch die IZA zugeordneten Gerüsttyp-Codes kann dem „Atlas of Zeolite Framework Types, Sixth Revised Edition, Elsevier (2007)“ entnommen werden.
  • In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel ein dehydriertes Zeolithmaterial umfassen, das ein Si:Al Verhältnis im Bereich von 1:1 bis 5:1 aufweist. Einige Beispiele von Gerüsttypen mit niedrigem Siliziumoxidgehalt, die ein Si:Al-Verhältnis in dem Bereich von 1:1 bis 2:1 aufweisen, beinhalten: ABW, AFG, ANA, BIK, CAN, EDI, FAU, FRA, GIS, GME, JBW, LAU, LEV, LIO, LOS, LTA, LTN, NAT, PAR, PHI, ROG, SOD, WEN, THO, und TSC. Einige Beispiele von Zeolithgerüsttypen, die ein Si:Al-Verhältnis in dem Bereich von 2:1 bis 5:1 aufweisen, beinhalten: BHP, BOG, BRE, CAS, CHA, CHI, DAC, EAB, EMT, EPI, ERI, FAU, FER, GOO, HEU, KFI, LOV, LTA, LTL, MAZ, MEI, MER, MON, MOR, OFF, PAU, RHO, SOD, STI, und YUG. In einer anderen Form können die lithiierten Zeolithpartikel ein Si:Al-Verhältnis von mehr als 5:1 aufweisen. Einige Beispiele von Zeolithgerüsttypen mit hohem Siliziumoxidgehalt, die ein Si:Al-Verhältnis aufweisen, das größer als 5:1 ist, beinhalten: ASV, BEA, CFI, CON, DDR, DOH, DON, ESV, EUO, FER, GON, IFR, ISV, ITE, LEV, MEL, MEP, MFI, MFS, MSO, MTF, MTN, MTT, MTW, MWW, NON, NES, RSN, RTE, RTH, RUT, SFE, SFF, SGT, SOD, STF, STT, TER, TON, VET, VNI, und VSV.
  • 6 veranschaulicht die Gerüststruktur der dehydrierten Form des auch als ZSM-5 bezeichneten und unter dem Gerüsttyp-Code MFI klassifizierten, synthetischen Zeolithmaterials. Zeolithmaterialien, welche die in 6 veranschaulichte Gerüststruktur aufweisen, können in eine oder mehrere Komponenten einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung integriert werden.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel können einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 5 nm bis 10 µm aufweisen. Der mittlere Partikeldurchmesser der lithiierten Zeolithpartikel kann von der Lage der Partikel innerhalb der verschiedenen Komponenten der elektrochemischen Zellen 10, 110, 210, 310, 410 abhängen. In einer Form können die lithiierten Zeolithpartikel einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 100 nm bis 1 µm aufweisen.
  • Die lithiierten Zeolithpartikel der vorliegenden Offenbarung können durch ein Verfahren vorbereitet werden, das die folgenden allgemeinen Schritte beinhaltet: (1) Erhalten einer geeigneten Menge eines mikroporösen Zeolithmaterials in Pulverform mit austauschbaren Extragerüst-Kationen, (2) Kontaktieren des Zeolithmaterials mit einer Lösung umfassend mindestens ein in einem Lösungsmittel bei einer ausreichend hohen Temperatur und für eine ausreichend lange Dauer aufgelöstes Salz für die mindestens austauschbaren mit Lithiumionen auszutauschenden oder zu ersetzenden Extragerüst-Kationen innerhalb des Zeolithmaterials, um ein lithiiertes Zeolithmaterial auszubilden, (3) Trennen des lithiierten Zeolithmaterials von dem Lösungsmittel, und (4) Wärmebehandeln des lithiierten Zeolithmaterials bei einer Temperatur von mehr als 400 °C, um das daraus absorbierte Wasser freizusetzen.
  • Das mikroporöse Zeolithmaterial kann einen oder mehrere wasserstoffhaltige Ionen oder Ionen eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls anfänglich austauschbare Kationen aufweisen. Insbesondere kann das mikroporöse Zeolithmaterial einen oder mehrere Wasserstoff-, Ammoniak-, Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium-, Cäsium-, Francium-, Beryllium-, Magnesium-, Calcium-, Strontium-, Barium- und Radium-Ionen als anfängliche austauschbare Kationen aufweisen. Das Zeolithmaterial kann mit einer wässrigen oder nicht-wässrigen Lithiumsalz-Lösung, die während des Ionenaustauschverfahrens eine Temperatur von mehr als 50 °C aufweisen kann, in Kontakt treten. Die Lithiumsalz kann Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat, Lithiumchlorid, Lithiumnitrat, Lithiumsulfat oder eine Kombination derselben umfassen. Die Konzentration des Lithiumsalzes in der Lösung kann sich in einem Bereich von 0,1 M bis 2 M bewegen und kann während des Lithiumionenaustausch-Behandlungsverfahrens angepasst werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichend hohe Menge an anfänglich austauschbaren Kationen im Zeolithmaterial durch Lithiumionen ersetzt werden. Das lithiierte Zeolithmaterial kann nach der Beendigung des Ionenaustausches durch jedes geeignete Verfahren, wie zum Beispiel durch Zentrifugation, von dem Lösungsmittel getrennt werden. Das lithiierte Zeolithmaterial kann durch Entfernen restlicher Ionen und Lösungsmittel daraus, zum Beispiel durch Waschen mit entionisiertem Wasser, gereinigt werden. Danach kann das lithiierte Zeolithmaterial durch Erhitzen auf eine Temperatur von über 100 °C für eine ausreichende Zeitdauer um das daraus absorbierte Wasser zu entfernen, kalziniert werden. Das lithiierte Zeolithmaterial kann in einem trockenen Umfeld oder in einem Vakuum kalziniert werden, um den Entwässerungsprozess beschleunigen. Zum Beispiel kann das lithiierte Zeolithmaterial in einem Umfeld mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 20% oder in einem so trockenen Umfeld wie möglich kalziniert werden. In einer Form kann das lithiierte Zeolithmaterial durch Erhitzen bei einer sich in einem Bereich zwischen 400-600 °C befindlichen Temperatur für eine Zeitdauer zwischen 1 bis 5 Stunden kalziniert werden. In einem konkreten Beispiel kann das lithiierte Zeolithmaterial durch Erhitzen bei einer Temperatur von 450 °C für die Dauer von etwa 2 Stunden kalziniert werden.
  • Nach dem Kalzinieren kann atmosphärische Feuchtigkeit von den lithiierten Zeolithpartikeln sehr schnell absorbiert werden. Um demnach die Zufuhr von Wasser in eine Lithiumionenbatterie über die lithiierten Zeolithpartikel zu vermeiden, sollte darauf geachtet werden, dass die Partikel nach Abschluss des Kalzinierungsschritts vor und nach dem Montieren der Lithiumionenbatterie keiner atmosphärischen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden. Vor dem Integrieren der lithiierten Zeolithpartikel in eine Lithiumionenbatterie können die lithiierten Zeolithpartikel aus dem Kalzinierungsschritt zum Beispiel übertragen und in einem trockenen Umfeld gelagert werden. Falls die lithiierten Zeolithpartikel zu irgendeinem Punkt vor der Montage der Lithiumionenbatterie Wasser, einschließlich atmosphärischer Luftfeuchtigkeit, ausgesetzt werden, kann ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt durchgeführt werden, um Spuren von Wasser aus den lithiierten Zeolithpartikeln vor dem Integrieren der lithiierten Zeolithpartikel in eine Komponente der Lithiumionenbatterie durchgeführt werden. Der zusätzliche Wärmebehandlungsschritt kann bei einer Temperatur von mehr als 100 °C für eine ausreichende Zeitdauer durchgeführt werden, um Spuren von Wasser aus den lithiierten Zeolithpartikeln zu entfernen.
  • Wenn die lithiierten Zeolithpartikel innerhalb eines durch eine elektrochemische Zelle einer Lithiumionenbatterie verlaufenden Lithiumionentransportpfads positioniert sind, können Sie dazu beitragen, ein Phänomen, das als „Spannungsabfall“ bezeichnet wird, zu verhindern, Kapazitätsverluste und Impedanz zu reduzieren, den Coulomb-Wirkungsgrad zu verbessern, dazu beitragen eine gleichmäßige Stromverteilung entlang der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche aufrechtzuerhalten und das Ausgasen der Zelle zu verhindern.
  • Ohne die Absicht an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die lithiierten Zeolithpartikel dazu beitragen, die Zyklusleistung der Lithiumionenbatterien, zum Beispiel durch das Zurückhalten von Spurenwasser und das Abfangen der Fluorwasserstoffsäure (HF) zu steigern. Das Immobilisieren von Spurenwassermolekülen innerhalb einer elektrochemischen Zelle eine Lithiumionenbatterie kann dazu beitragen, das Zersetzen des flüssigen Elektrolyts zu verhindern, dass wiederum dazu beiträgt, das Zersetzen des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode zu verhindern. Fluorwasserstoffsäure ist hochkorrosiv und kann in einer elektrochemischen Zelle eine Lithiumionenbatterie während des Zersetzens des Elektrolyts durch die Reaktion von LiPF6 mit Wasser gemäß der folgenden Reaktion generiert werden: LiPF6 + H2O ↔ LiF + POF3 + 2HF (3)
  • Das wie-hergestellte HF kann den Säuregehalt des Elektrolyts erhöhen, was zur Korrosion des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode und/oder der Stromkollektoren führen kann. Fungierend als ein HF-Fänger in einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie können die lithiierten Zeolithpartikel folglich dazu beitragen, die Korrosion und Zersetzung verschiedener Komponenten der Batterie zu herabzusetzen.
  • Ferner wird davon ausgegangen, dass die lithiierten Zeolithpartikel dazu beitragen können, die Zyklusleistung der Lithiumionenbatterien durch Abfangen der Übergangsmetallionen, wie etwa Mn2+ and Fe2+/3+-Ionen zu verbessern, die sich aufgrund der Zersetzung des lithiumbasierten Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrode und/oder aufgrund des Vorhandenseins von Übergangsmetallverunreinigungen in der positiven Elektrode, in dem flüssigen Elektrolyt befinden können. Wenn die lithiierten Zeolithpartikel als ein Füllstoffmaterial in einen Abscheider einer Lithiumionenbatterie integriert werden und/oder auf einer oder mehreren Oberflächen des Abscheiders aufgetragen werden, können die lithiierten Zeolithpartikel auch dazu beitragen, die Robustheit der Batterie, zum Beispiel durch Verbessern der mechanischen Eigenschaften und der thermischen Stabilität des Abscheiders, zu verbessern.
  • BEISPIELE
  • Proben eines nicht wässrigen flüssigen Elektrolyts wurden vorbereitet und in einer elektrochemischen Zelle einer Lithiumionenbatterie verwendet und die Zyklusleistung der wie-hergestellten elektrochemischen Zellen wurde ausgewertet.
  • Ein synthetisches Zeolithmaterial, das als ein ZSM-5 bezeichnet wird, wurde in Natriumform (Na-ZSM-5) erhalten und mit einer wässrigen Lithiumhydroxid (LiOH)-Lösung bei einer Temperatur von etwa 80 °C für etwa 12 Stunden zusammengemischt, um die Extragerüst-Natriumionen (Na+) in dem Zeolithmaterial durch Lithiumionen (Li+) auszutauschen, um eine lithiierte Form von ZSM-5 (Li-ZSM-5) herzustellen. Die Festkörper Li-ZSM-5-Partikel wurden von der wässrigen Lösung durch Zentrifugation und durch 5-maligem Waschen mit entionisiertem Wasser getrennt. Danach wurde das Li-ZSM-5-Pulver bei einer Temperatur von etwa 450 °C für die Dauer von 2 Stunden kalziniert, um das daraus absorbierte Wasser zu entfernen.
  • 7 veranschaulicht das Röntgendiffraktionsmuster eines kalzinierten Na-ZSM-5-Pulvers (70) und des wie-hergestellten kalzinierten Li-ZSM-5-Pulvers (72).
  • Eine nicht wässrige flüssige Elektrolytlösung wurde erhalten, umfassend 1,0 M LiPF6 in einer Mischung von Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) bei einem EC:DEC Verhältnis von 1:2 Vol.-% (LiPF6/EC/DEC).
  • Ein flüssiges LiZ-enthaltendes Elektrolyt wurde durch Mischen einer geeigneten Menge des kalzinierten Li-ZSM-5-Pulvers mit der LiPF6/EC/DEC Elektrolytlösung für etwa 2 Stunden präpariert, um gleichmäßiges und vollständiges Benetzen des Li-ZSM-5-Pulvers mit der LiPF6/EC/DEC-Elektrolytlösung sicherzustellen. Der resultierende LiZ-enthaltende Elektrolyt umfasste eine Suspension, die etwa 5 Gew.-% Li-ZSM-5-Pulver enthielt.
  • Eine elektrochemische Zelle für eine Lithiumionenbatterie wurde einschließlich eines positiven Elektrodenmaterials aus Lithium-Nickel-Magnesium-Cobaltoxid (NMC), eines negativen Elektrodenmaterials aus Graphit (G), eines von Celgard gefertigten 21 µm dicken porösen polymeren Abscheiders, und der LiPF6/EC/DEC Elektrolytlösung vorbereitet. Die Zyklusleistung dieser elektrochemischen Zelle (NMC/G) wurde unter beschleunigten Testbedingungen ausgewertet. Insbesondere der Zyklus dieser elektrochemischen Zelle wurde über 100-mal bei einer Temperatur von etwa 40 °C unter Verwendung einer anfänglichen Laderate von C/20 (unter Verwendung der standardmäßigen C Ratendefinition) für die Dauer von 3 Zyklen wiederholt, gefolgt von einer Laderate von C/3 für die verbliebene Anzahl an Zyklen.
  • Wie in 8 dargestellt, verringerte sich die spezifische Kapazität der elektrochemischen NMC/G Zelle (80) allmählich in dem Umfang in dem die Anzahl der Zyklen zunahm. Insbesondere wies die elektrochemische NMC/G Zelle nach dem ersten Zyklus eine spezifische Kapazität von etwa 0,0042 Ah/cm2 auf. Nach vier (4) Zyklen wies die elektrochemische NMC/G Zelle eine spezifische Kapazität von etwa 0,0039 Ah/cm2 auf, und nach 100 Zyklen, wies die elektrochemische NMC/G Zelle eine spezifische Kapazität von weniger als 0,0035 Ah/cm2 auf. Wie in 9 ersichtlich, lag der Coulomb-Wirkungsgrad der elektrochemischen NMC/G Zelle (90) für alle Zyklen des Tests bei unter 99%.
  • Eine LiZ-enthaltende elektrochemische Zelle für eine Lithiumionenbatterie wurde einschließlich eines positiven Elektrodenmaterials aus Lithium-Nickel-Magnesium-Cobaltoxid (NMC), eines negativen Elektrodenmaterials aus Graphit, eines dreilagigen Polypropylen-Polyethylen-Polypropylen (PP/PE/PP)-Membran-Abscheiders und des wie-hergestellten LiZ-enthaltenden Elektrolyts vorbereitet. Die Zyklusleistung dieser LiZ-enthaltenden elektrochemischen Zelle (LiZ+NMC/G) wurde unter denselben beschleunigten Testbedingungen wie die der elektrochemischen NMC/G Zelle ausgewertet. Insbesondere wurde der Zyklus dieser elektrochemischen LiZ+NMC/G Zelle über 100-mal bei einer Temperatur von etwa 40 °C unter Verwendung einer anfänglichen Laderate von C/20 (unter Verwendung der standardmäßigen C Ratendefinition) für die Dauer von 3 Zyklen wiederholt, gefolgt von einer Laderate von C/3 für die verbliebene Anzahl an Zyklen.
  • Wie in 8, dargestellt, blieb die spezifische Kapazität der elektrochemischen LiZ+NMC/G Zelle (82) relativ konstant während die Anzahl der Zyklen zunahm. Die elektrochemische LiZ+NMC/G Zelle wies insbesondere nach dem ersten Zyklus eine spezifische Kapazität von etwa 0,0044 Ah/cm2 auf. Nach vier (4) Zyklen wies die elektrochemische LiZ+NMC/G Zelle eine spezifische Kapazität von etwa 0,0043 Ah/cm2 auf, und nach 100 Zyklen wies die elektrochemische LiZ+NMC/G Zelle weiterhin eine spezifische Kapazität von 0,004 Ah/cm2 auf. Wie in 9 dargestellt, lag der Coulomb-Wirkungsgrad der elektrochemischen Li+NMC/G Zelle bei über 99,5% für alle Zyklen des Tests.
  • Dementsprechend kann die Verwendung des sich im Elektrolyt einer elektrochemischen NMC/G Zelle einer Lithiumionenbatterie befindlichen kalzinierten Li-ZSM-5-Pulvers den Kapazitätsverlust auf wirksame Weise verringern und den Coulomb-Wirkungsgrad der Zelle verbessern.
  • Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen, Aspekte und speziellen Beispiele weisen lediglich einen beschreibenden Charakter auf; sie sind nicht dazu gedacht, um den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.

Claims (10)

  1. Elektrochemische Zelle für eine sekundäre Lithiumionenbatterie, umfassend: eine negative Elektrode; eine positive Elektrode, die von der negativen Elektrode beabstandet ist; ein in die negative Elektrode und die positive Elektrode eindringender Elektrolyt, der zwischen gegenüberliegenden vorderen Oberflächen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist; ein Lithiumionentransportpfad, der sich durch die negative Elektrode, die positive Elektrode und den Elektrolyt erstreckt; und lithiierte Zeolithpartikel, die zwischen mindestens einem Abschnitt des Lithiumionentransportpfads positioniert sind.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin der Elektrolyt eine flüssige elektrolytische Lösung umfasst, die ein Lithiumsalz enthält, das in einem nicht-wässrigen, aprotischen, organischen Lösungsmittel aufgelöst ist und die lithiierten Zeolithpartikel werden in der flüssigen elektrolytischen Lösung suspendiert oder hineingemischt.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin der Elektrolyt eine Gelpolymerelektrolyt umfasst und die lithiierten Zeolithpartikel durch den gesamten Gelpolymerelektrolyt verteilt sind.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, einschließlich eines porösen Abscheiders, der zwischen den gegenüberliegenden vorderen Oberflächen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist und in dem Elektrolyt infiltriert ist, und worin die lithiierten Zeolithpartikel dem porösen Abscheider zugeordnet sind.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, worin die lithiierten Zeolithpartikel durch den gesamten porösen Abscheider verteilt sind.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, worin die lithiierten Zeolithpartikel die erste Seite des porösen Abscheiders, der der negativen Elektrode zugewandt ist, eine gegenüberliegende zweite Seite des porösen Abscheiders, der der positiven Elektrode zugewandt ist oder sowohl die erste als auch die zweite Seite des porösen Abscheiders abdecken.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, worin der Abscheider eine erste Schicht und eine an der ersten Schicht angrenzende zweite Schicht umfasst, und worin die lithiierten Zeolithpartikel entlang einer Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Schicht verteilt sein können.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin die lithiierten Zeolithpartikel durch die negative Elektrode, die positive Elektrode und sowohl die negative als auch die positive Elektrode verteilt sind.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin die lithiierten Zeolithpartikel die vordere Oberfläche der negativen Elektrode, die vordere Oberfläche der positiven Elektrode, oder die vordere Oberfläche der sowohl negativen als auch der positiven Elektrode abdecken.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, beinhaltend einen an der negativen Elektrode angrenzenden Stromkollektor der negativen Elektrode und einen an die positive Elektrode angrenzenden Stromkollektor aus der positiven Elektrode, und worin die lithiierten Zeolithpartikel auf einer Oberfläche des Stromkollektors der negativen Elektrode oder des Stromkollektors der positiven Elektrode, oder auf Oberflächen der Stromkollektoren der sowohl negativen als auch der positiven Elektrode angeordnet sind
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