DE102018116492A1 - Polymer-ionenfallen zur unterdrückung oder minimierung von übergangsmetall-ionen und dendritbildung oder -wachstum in lithium-ionen-batterien - Google Patents

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Timothy J. Fuller
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Abstract

Elektrochemische Zellen, die Lithium-Ionen zyklisieren, und Verfahren zur Unterdrückung oder Minimierung der Dendritbildung sind vorgesehen. Die elektrochemischen Zellen beinhalten eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator. Mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit, einschließlich eines oder mehrerer Polymere, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert ist, kann innerhalb der elektrochemischen Zelle als Beschichtung, Porenfüller, Ersatz-Seitengruppe oder Bindemittel aufgenommen werden. Die eine oder die mehreren Einfanggruppen können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Kronenethern, Siderophoren, Bactinen, ortho-Phenanthrolin, Iminodiessigsäure-Dilithiumsalz, Oxalaten Malonaten, Fumaraten, Succinaten, Itaconaten, Phosphonaten und Kombinationen derselben, und können an Metallionen binden, die in der elektrochemischen Zelle gefunden werden, um die Bildung von Dendritvorsprüngen an der negativen Elektrode zu minimieren oder zu unterdrücken.

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 polymere Ionenfallen, die die Bildung oder das Wachstum von Übergangsmetall-Ionen und Dendriten innerhalb einer elektrochemischen Zelle unterdrücken oder minimieren und deren Leistung verbessern.
  • 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 umfassen eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode und eine andere dient als negative Elektrode oder Anode. Ein Stapel von Lithium-Ionen-Batteriezellen kann elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Konventionelle wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien arbeiten durch umkehrbares Hin- und Herleiten 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 ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester (z. B. Festkörperdiffusion) 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.
  • Viele verschiedene Materialien können zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem oder mehreren nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert sein können. Die negative Elektrode beinhaltet im Allgemeinen ein Lithium-Einlegematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Typische elektrochemisch aktive Materialien zum Bilden einer Anode beinhalten Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silicium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Verbindungen, und Lithiumtitanat Li4+xTi5O12, wobei 0 ≤ x ≤ 3, beispielsweise Li4Ti5O12 (LTO). Die positiven Elektrodenmaterialien beinhalten im Allgemeinen ein elektroaktives Material, das mit Lithium-Ionen interkaliert oder legiert werden kann, das ein oder mehrere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Mangan, Nickel, Kobalt, Chrom, Eisen, Vanadium und Kombinationen derselben, beinhalten kann. Diese aktiven Materialien können beispielsweise LithiumÜbergangsmetalloxide oder Mischoxide des Spinelltyps beinhalten, beispielsweise Spinell-Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), LiCoO2, LiNiO2, LiMn1,5Ni0,5O4, LiNi(1-x-y)COxMyO2 (wobei 0<x<1, 0<y<1, und M kann Al, Mn oder dergleichen sein), oder Lithium-Eisenphosphate.
  • In einer Vielzahl von Fällen können Übergangsmetall-Ionenverunreinigungen (z. B. Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Zinn (Sn)) in der Lithium-Ionen-Batterie vorhanden sein. So können beispielsweise Feinteile aus Edelstahl oder Messing, die bei der Batterieherstellung in den Elektrodenzwischenraum eindringen, verschleißen oder sich von diesen trennen. Diese Metallpartikel können dann leicht im angesäuerten Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyten gelöst werden und sorgen für eine hohe lokale Konzentration bestimmter Metalle wie Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni) aus Edelstahl oder Kupfer (Cu) und Zink (Zn) aus Messing. Diese Verunreinigungen haben somit das Potenzial, eine kontinuierliche lokale Versorgung mit derartigen Übergangsmetall-Ionen zu gewährleisten, die auf einen lokalisierten Bereich der negativen Elektrode gerichtet werden können und möglicherweise einen Dendriten bilden. Die Metall-Dendriten können scharfe Vorsprünge bilden, die möglicherweise den Separator durchbohren und einen internen Kurzschluss verursachen, der zu einer Selbstentladung der Zellen oder einem katastrophalen Zellversagen durch thermische Instabilität führen kann. Daher wäre es wünschenswert, für den Einsatz in Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien entsprechende Materialien zu entwickeln, die die Bildung von Metall-Dendriten reduzieren oder unterdrücken.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
  • In verschiedener Hinsicht stellt die vorliegende Offenbarung eine exemplarische elektrochemische Zelle dar, die Lithiumionen zykliert. Die elektrochemische Zelle kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen mikroporösen polymeren Separator und eine oder mehrere Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheiten beinhalten. Die positive Elektrode kann ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis und ein oder mehrere polymere Bindemittel beinhalten. Die negative Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material beinhalten. Der mikroporöse Polymerseparator kann zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sein. Die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit kann ein oder mehrere Polymere beinhalten, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind. Die eine oder mehrere Einfanggruppen können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: ortho-Phenanthrolin, Malonaten, Fumaraten, Succinaten und Kombinationen derselben. Die eine oder die mehreren Einfanggruppen können an mindestens ein Übergangsmetall-Ion innerhalb der elektrochemischen Zelle binden, um die Bildung von Dendritvorsprüngen an der negativen Elektrode zu minimieren oder zu unterdrücken.
  • In einer Variation ist die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einem oder mehreren der folgenden Elemente enthalten: a) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode; b) auf einer Oberfläche der negativen Elektrode; c) auf einer Oberfläche des Separators; d) auf einer oder mehreren Porenoberflächen des Separators; oder e) als eine Ersatz-Seitengruppe auf ein oder mehrere Polymere aufgepfropft, die den mikroporösen Polymerseparator bilden.
  • In einer Variation kann die elektrochemische Zelle auch ein Elektrolytsystem beinhalten. Das Elektrolytsystem kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit beinhalten und kann Lithium-Ionen leiten. Das Elektrolytsystem kann in mindestens eine der positiven Elektroden, die negative Elektrode und den Separator eingetaucht werden.
  • In einer Variation beinhaltet das Elektrolytsystem ein oder mehrere Lithiumsalze und ein oder mehrere Lösungsmittel. Das eine oder die mehreren Lithiumsalze können aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6); Lithiumperchlorat (LiClO4); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4); Lithiumjodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4); Lithium-bis-(oxalat)borat (LiB(LiB(C2O4)2) (LiBOB); Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6); Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3); Bis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF3SO2)2); Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2); und Kombinationen derselben. Ein oder mehrere Lösungsmittel können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: zyklischen Carbonaten, azyklischen Carbonaten, aliphatischen Carbonsäureestern, γ-Lactonen, Kettenstrukturethern, zyklischen Ethern und Kombinationen derselben.
  • In einer Variation kann das negative elektroaktive Material der negativen Elektrode einen oder mehrere der folgenden Bestandteile beinhalten: Graphit, Lithiumtitanat, Silizium, Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, Siliziumoxide oder Zinnoxide. Das positive elektroaktive Material der positiven Elektrode auf Lithiumbasis kann eines oder mehrere der Folgenden beinhalten: Spinell-Lithium-Manganoxid; Lithium-Kobalt-Oxid; Lithium-Eisen-Phosphat; Lithium-Mangan-Phosphat; Lithium-Vanadium-Phosphat; binäre Kombinationen von Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Mangan-Phosphat oder Lithium-Vanadium-Phosphat; ein Lithium-Binäroxid aus zwei Elementen, ausgewählt aus Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co); oder ein lithiertes ternäres Oxid von Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co).
  • In einer Variation kann das eine oder die mehreren polymeren Bindematerialien ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Vinylbenzol-Styrol-Copolymer, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Polypropylen-Dien-Monomerkautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Lithiumsalz der Polyacrylsäure (LiPAA), Lithiumsalz des Natriumalginats, Lithiumsalz des Lithiumalginats und Kombinationen derselben.
  • In einer Variation können die Malonate polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Malonsäure sein. Die Fumarate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Fumarsäure sein. Die Succinate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Bernsteinsäure sein.
  • In einer Variation kann die elektrochemische Zelle die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 5 Gew.- % eines Gewichts des Separators auf weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Gewichts des Separators beinhalten.
  • In einer Variation können die Übergangsmetall-Ionen Eisen-(Fe)-Ionen, Nickel-(Ni)-Ionen, Kobalt-(Co)-Ionen, Chrom-(Cr)-Ionen, Kupfer-(Cu)-Ionen, Zink-(Zn)-Ionen, Zinn-(Sn)-Ionen oder Kombinationen derselben beinhalten, die aus Metall (z. B., Edelstahl oder Messing) entstehen können, die bei der Batterieherstellung in den Zwischenelektrodenraum eindringen.
  • In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung stellt eine weitere exemplarische elektrochemische Zelle dar, die Lithiumionen zykliert. Die elektrochemische Zelle kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen mikroporösen polymeren Separator, ein Elektrolytsystem und mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheiten beinhalten. Die positive Elektrode kann ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis und ein oder mehrere polymere Bindemittel beinhalten. Die negative Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material beinhalten. Der mikroporöse Polymerseparator kann zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sein. Das Elektrolytsystem kann in mindestens einer der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Separator eingetaucht oder darin angeordnet werden. Die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit kann ein oder mehrere Polymere beinhalten, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind. Die eine oder mehrere Einfanggruppen können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: ortho-Phenanthrolin, Malonaten, Fumaraten, Succinaten und Kombinationen derselben. Die eine oder mehrere Einfanggruppen binden an Eisen-(Fe)-Ionen innerhalb der elektrochemischen Zelle, um die Aggregation der Eisen-(Fe)-Ionen zu minimieren oder zu unterdrücken. Die negative Elektrode weist eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen frei von vorstehenden Dendriten ist.
  • In einer Variation kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einem oder mehreren der folgenden Elemente enthalten sein: a) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode; b) auf einer Oberfläche der negativen Elektrode; c) auf einer Oberfläche des Separators; d) auf einer oder mehreren Porenoberflächen des Separators; oder e) als eine Ersatz-Seitengruppe auf ein oder mehrere Polymere aufgepfropft, die den mikroporösen Polymerseparator bilden.
  • In einer Variation kann die elektrochemische Zelle die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 5 Gew.- % eines Gewichts des Separators auf weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Gewichts des Separators beinhalten.
  • In einer Variation können die Malonate polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Malonsäure sein. Die Fumarate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Fumarsäure sein. Die Succinate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Bernsteinsäure sein.
  • In weiteren Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Unterdrücken oder Minimieren der Dendritbildung vor, um die Zyklusleistung und den Kapazitätserhalt in einer elektrochemischen Zelle zu verbessern, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren kann das Einbringen von mindestens einer Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in die elektrochemische Zelle beinhalten. Die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit kann ein oder mehrere Polymere beinhalten, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind. Die eine oder mehrere Einfanggruppen können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Kronenether, Siderophoren, Ortho-phenanthrolin, Iminodiessigsäure-Dilithiumsalz, Oxalaten, Malonaten, Fumaraten, Succinaten, Itaconaten, Phosphonaten und Kombinationen derselben. Nach dem Einbringen der mindestens einen Übergangsmetall-Ioneneinfanggruppe können die eine oder die mehreren Einfanggruppen der Übergangsmetall-Ioneneinfanggruppe an Eisen(Fe)-Ionenverunreinigungen innerhalb der elektrochemischen Zelle binden, um die Aggregation der Eisen(Fe)-Ionenverunreinigungen und die Bildung von Dendritvorsprüngen darin zu minimieren oder zu unterdrücken.
  • In einer Variation kann die elektrochemische Zelle außerdem eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen mikroporösen Polymerseparator beinhalten. Die positive Elektrode kann ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis und ein polymeres Bindemittel beinhalten. Die negative Elektrode kann ein negatives elektroaktives Material beinhalten. Der mikroporöse Polymerseparator kann zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet sein.
  • In einer Variation kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einem oder mehreren der folgenden Elemente enthalten sein: a) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode; b) auf einer Oberfläche der negativen Elektrode; c) auf einer Oberfläche des Separators; d) auf einer oder mehreren Porenoberflächen des Separators; oder e) als eine Ersatz-Seitengruppe auf ein oder mehrere Polymere aufgepfropft, die den mikroporösen Polymerseparator bilden.
  • In einer Variation können die eine oder die mehreren an Eisen-(Fe)-Ionenverunreinigungen gebundenen Einfanggruppen ein abgeschiedenes Material auf einem oder mehreren exponierten Oberflächenbereichen der negativen Elektrode bilden. Das abgeschiedene Material kann eine freiliegende Oberfläche aufweisen, die im Wesentlichen frei von Dendritvorsprüngen ist.
  • In einer Variation können die eine oder die mehreren Einfanggruppen, die an Eisen-(Fe)-Ionenverunreinigungen gebunden sind, Eisen-(Fe)-Ionenverunreinigungen absondern, die eine Bewegung der Eisen-(Fe)-Ionenverunreinigung zu oder in Richtung der negativen Elektrode verhindern.
  • In einer Variation können die Kronenether der einen oder mehreren Einfanggruppen aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: 1,7-dialkyldiaza-12-krone-4; 1,4,13-trioxan-7,10-dialkyl-7,10-diazacyclopentadecan; 1,4, 10,13-tetraoxa-7,16-dialkyl-7,16-diazacyclooctadecan; 7,16-di(alkylbenzyl)-1,4,10,13-tetra-7,16-diazacyclooctadecan; 3,11-dialkyl-3,11-diaza-1,5,9,13-tetrathiacyclohexadecan; 3,11,19-trialkyl-3,11,19-triaza-1,5,9,13,17,21-hexathiacyclotetracosan; 1,4,7-trialkyl-1,4,7-triazacyclononan; 1,5,9-trialkyl-1,5,9-triazacyclododecan; Tetraalkylcyclen; 1,4,8,11-Tetraalkyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan; Hexaalkylhexacyclen; und Kombinationen derselben. Die Siderophore der einen oder mehreren Einfanggruppen können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ferrichrom, Desferriozamin, Desferrioxamin B, Desferrioxamin E, Fusarinin C, Ornibactin, Rhodotorolsäure, Enterobactin, Bacillibactin, Bicriobactin, Azotobactin, Pyoverdin und Kombinationen derselben. Die Oxalate der einen oder mehreren Einfanggruppen können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Oxalatsäure sein. Die Malonate der einen oder mehreren Einfanggruppen können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Malonsäure sein. Die Fumarate der einen oder mehreren Einfanggruppen können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Fumarsäure sein. Die Succinate der einen oder mehreren Einfanggruppen können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Bernsteinsäure sein. Die Itaconate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Itaconsäure sein. Die Phosphonate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Phosphonsäure sein.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
  • ZEICHNUNG
  • 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 Skizze einer exemplarischen elektrochemischen Batteriezelle mit einem oder mehreren Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheiten.
  • Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen in den Zeichnungen ähnliche Teile.
  • 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 unter bestimmten Gesichtspunkten 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 dazwischenliegende 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 dazwischenliegenden 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 „vorher“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren veranschaulicht, 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.
  • Im Verlauf dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen 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 numerischen 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 numerische 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 unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
  • 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.
  • Die Offenbarung aller Patente, Patentanmeldungen, Artikel und Literatur, auf die in dieser Offenbarung Bezug genommen wird oder die in dieser Offenbarung zitiert wird, wird hiermit durch Verweis hierin aufgenommen.
  • Die Beispielausführungsformen werden im Folgenden mit Verweis auf die zugehörige Zeichnung genauer beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie betrifft verbesserte elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die in Fahrzeuganwendungen verwendet werden können. Die derzeitige Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere in denjenigen mit Lithiumionen.
  • 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 porösen Separator 26 (z. B. einen mikroporösen oder nanoporösen 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. 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).
  • Der poröse 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 poröse Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) während des Zyklus der Lithium-Ionen, zur Erleichternden Funktion 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 an zyklischem 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. Lithium-Ionen, die auch an der negativen Elektrode gebildet werden, werden gleichzeitig durch das Elektrolyt 30 und den porösen Separator 26 zur positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithium-Ionen wandern über den porösen Separator 26 im Elektrolyt 30, um an der positiven Elektrode 24 eingeschobenes oder legiertes Lithium zu bilden. Der elektrische Strom, der durch den externen Stromkreis 18 fließt, kann genutzt und durch die Ladevorrichtung 42 geleitet werden, bis das eingeschobene Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie 20 sinkt.
  • Die Lithium-Ionen-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 Lithium-Ionen 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. Somit wird jedes Entladungs- und Ladungsereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithium-Ionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 geschaltet werden.
  • 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 aus einigen Mikrometern bis einem Millimeter oder weniger in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket 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, Klemmenkappen, Laschen, Batterieklemmen 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 Lithium-Ionen-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, Energie und Leistung 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 funktionsfähig mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. 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 vollelektrisches Fahrzeug, 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 welchem die Lithium-Ionen-Batterie 20 zum Speichern der Energie aufgeladen werden kann. In einigen anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithium-Ionen-Basis.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann jeder geeignete Elektrolyt 30 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 der Elektrolyt 30 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 werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6); Lithiumperchlorat (LiClO4); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4); Lithiumjodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4); Lithium-bis-(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB); Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6); Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3); Bis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF3SO2)2); Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2); und Kombinationen derselben.
  • Die gegenwärtige Technologie ist besonders geeignet für den Einsatz mit einem Elektrolyten, der LiPF6-Salz beinhaltet. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (z. B., Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), lineare Carbonate (z. B., Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-lactone (z. B.), γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (z. B., 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z. B., Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Kombinationen derselben, gelöst werden.
  • Der poröse Separator 26 kann in Einzelfällen 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 Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche mikroporöse Polymermembranen 26 aus Polyolefin schließen CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator) von Celgard LLC ein.
  • Wenn der poröse Separator 26 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 26 bilden. In weiteren Aspekten kann der Separator 26 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 26 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein.
  • Der mikroporöse Polymerseparator 26 kann auch zusätzlich oder alternativ andere Polymere beinhalten, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf PolyethylenTerephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polykarbonaten, Polyester, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefincopolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie etwa Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen, Polyarylen-Eetherketonen, Polyperfluorocyclobutan, Polyvinylidenfluorid-Copolymere (z. B. PVdF - Hexafluorpropylen oder (PVdF-HFP)) und Polyvinylidenfluorid-Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRANTM™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid, Zellulosematerialien, mesoporöse Kieselsäure und/oder Kombinationen derselben.
  • Die Polyolefinschicht und irgendwelche anderen optionalen Polymerschichten können zudem als fibröse Schicht in dem mikroporösen Polymerseparator 26 beinhaltet sein, um den mikroporösen Polymerseparator 26 mit geeigneten Eigenschaften für Struktur und Porosität auszustatten. Somit kann die nanoporöse oder mikroporöse Membran 26 eine einzelne Schicht oder ein Mehrschicht-Laminat enthalten, entweder über ein trockenes oder nasses Verfahren, ein Gießverfahren, eine ungewobene Faserverlegung, oder durch ein beliebiges anderes Verfahren hergestellt werden, das für eine nanoporöse oder mikroporöse Membran 26 mit geeigneten Eigenschaften zur Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. So kann beispielsweise in einem Beispiel eine einzelne Schicht des Polyolefins die gesamte Separatormembran 26 bilden. In einem weiteren Beispiel kann eine einzelne Schicht eines, oder eine beliebige Kombination aus irgendwelchen Polymeren, aus denen der Separator 26 gebildet werden kann (z. B. das Polyolefin und/oder ein oder mehrere der anderen oben für den Separator 26 aufgelisteten Polymere) den gesamten Separator 26 bilden.
  • Als ein weiteres Beispiel kann der Separator 26 jedoch auch aus mehreren separaten Schichten von ähnlichen oder unterschiedlichen Polyolefinen und/oder Polymeren für den Separator 26 zusammengesetzt sein. In einem Beispiel kann eine separate Schicht aus dem einen oder den mehreren Polymeren auf einer separaten Schicht des Polyolefins für den Separator 26 aufgebracht sein. Des Weiteren können die Schicht aus Polyolefin (und/oder anderen Polymeren) und andere optionale Polymerschichten außerdem im Separator 26 als eine faserige Schicht enthalten sein, um den Separator 26 mit geeigneten Struktur- und Porositäts-Charakteristika auszustatten. Eine vollständigere Erläuterung von Ein- und Mehr-Schichtseparatoren für Lithium-Ionen-Batterien, sowie deren trockene und nasse Herstellungsverfahren findet sich bei P. Arora und Z. Zhang, „Batterieseparatoren" Chem. Rev., 104, 4424-4427 (2004).
  • Des Weiteren kann der poröse Separator 26 mit einem keramischen Material gemischt oder dessen Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet werden. Eine keramische Beschichtung kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2) oder Kombinationen derselben beinhalten. Verschiedene konventionelle Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 26 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Separator 26 herzustellen.
  • 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 negative Elektrode 22 kann somit das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und gegebenenfalls ein anderes elektrisch leitendes Material sowie eine oder mehrere polymere Bindematerialien zum konstruktiven Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. So kann beispielsweise die negative Elektrode 22 in einer Ausführungsform ein aktives Material beinhalten, das Graphit, Silizium (Si), Zinn (Sn) oder andere negative Elektrodenpartikel beinhaltet, die mit einem Bindemittelmaterial vermischt sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylidendifluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) oder Carboxymethoxylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natrium-Alginat, Lithium-Alginat und Kombinationen derselben, als nicht einschränkendes Beispiel. Geeignete zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien können kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • Graphit wird zum Bilden der negativen Elektrode 22 häufig verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Interkalation und Desinterkalation von Lithium aufweist, relativ nicht-reaktiv in der Umgebung elektrochemischer Zellen ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Kommerzielle Graphitformen und andere Graphenmaterialien, die zur Herstellung der negativen Elektrode 22 verwendet werden können, sind als nicht-begrenzendes Beispiel von Timcal Graphit und Kohlenstoff von Bodio, Schweiz, Lonza Group, Basel, Schweiz, oder Superior Graphit, Chicago, USA, erhältlich. Andere Materialien können auch zum Bilden der negativen Elektrode 22 verwendet werden, unter anderem zum Beispiel Lithium-Silizium- und siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen, wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2 und dergleichen. In bestimmten alternativen Ausführungsformen sind Lithium-Titan-Anoden-Materialien denkbar, wie Li4+xTi5O12, wobei 0 ≤ x ≤ 3, Lithium-Titanat (Li4Ti5O12) (LTO) beinhaltet.
  • Die vorliegende Technologie eignet sich besonders für den Einsatz mit negativen Elektrodenmaterialien für die negative Elektrode 22, die Graphitmaterialien beinhaltet. Derartige Graphitmaterialien können selbstverständlich mit anderen elektroaktiven Materialien kombiniert werden. Die Prinzipien der vorliegenden Lehren können ebenfalls für die Verwendung mit anderen negativen Elektrodenmaterialien, wie beispielsweise solchen, die Silizium oder Zinn enthalten, und in bestimmten alternativen Variationen vorteilhaft sind. Der Negativ-Elektroden-Stromabnehmer 32 kann aus Kupfer oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, wie Fachleuten bekannt ist.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation oder Legierung und Delegierung von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Lithium-Ionen Batterie 20 dient. Die positive Elektrode 24 kann ein Polymerbindemittel beinhalten, um das Lithiumbasierte aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Die elektroaktiven Materialien der positiven Elektrode 24 können ein oder mehrere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen derselben beinhalten.
  • Zwei exemplarisch gängige Klassen bekannter elektroaktiver Materialien, die zum Bilden der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind Lithiumübergangsmetalloxide mit Schichtaufbau und Lithiumübergangsmetalloxide mit Spinellphase. So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Fällen ein Übergangsmetalloxid vom Spinelltyp beinhalten, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn(2-x)O4), wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn2O4 (LMO) und Lithiummangan-Nickeloxid LiMn1,5Ni0,5O4(LMNO). In bestimmten Fällen kann die positive Elektrode 24 Schichtmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-NickelOxid (LiNiO2), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NixMnyCoz)O2) beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1, einschließlich LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2, ein Lithium-Nickel-Kobalt-Metalloxid ((1-x-y)CoxMyO2), wobei 0<x<1, 0<y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können. Andere bekannte Lithium-Übergangsmetallverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li2FePO4F) können ebenfalls verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn(2-x)O4), ein gemischtes Lithiummangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4), wobei 0 ≤ x ≤ 1, und/oder ein Lithiummangan-Nickel-Kobaltoxid (z. B., LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2) beinhaltet.
  • Derartige aktive Materialien und optional elektrisch leitfähige Materialien können mit mindestens einem polymeren Bindemittel vermischt werden, beispielsweise durch Schlickergießen aktiver Materialien und optionaler leitfähiger Materialien mit diesen Bindemitteln, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-(EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethoxylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natrium-Alginat, Lithium-Alginat. Elektrisch leitfähig Materialien können Graphit, kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden. Der positive Stromabnehmer 34 kann aus Aluminium oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen.
  • In einer Vielzahl von Fällen kann die Lithium-Ionen-Batterie 20 Übergangsmetall (z. B., Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Zink (Zn)) beinhalten. Bei der Herstellung gelangen beispielsweise sehr feine Metallpartikel (z. B., mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 1 µm bis etwa 20 µm) in die Batterieumgebung ein. Diese lösen sich relativ leicht in einem angesäuerten Elektrolytsystem 30 auf und ein lokalisierter Strom von Übergangsmetall-Ionen kann sich unter dem Einfluss des inneren elektrischen Feldes zur negativen Elektrode 22 in einem Bereich direkt gegenüber dem Metallpartikel bewegen, um eine whiskerartige Dendritstruktur zu bilden.
  • In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Minimieren oder Unterdrücken der Dendritbildung vor, indem die Bewegung der Verunreinigung oder der Verunreinigungen zu oder in Richtung der negativen Elektrode 22 verhindert wird. Die elektrochemische Zelle 20 beinhaltet eine oder mehrere Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheiten, die an Übergangsmetall-Ionen in der gesamten elektrochemischen Zelle 20 binden, wodurch die Dendritbildung minimiert oder unterdrückt wird, sodass die Oberflächen innerhalb der elektrochemischen Zelle 20 im Wesentlichen frei von vorstehenden Dendriten sind. Das Reduzieren oder Minimieren der Dendritbildung verbessert die Haltbarkeit und Missbrauchstoleranz der elektrochemischen Zelle 20 und bietet einen robusteren Zellherstellungsprozess, der die Anfälligkeit für Verunreinigungen oder Verschmutzungen reduziert.
  • Die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit kann in einer oder mehreren der folgenden Komponenten der elektrochemischen Zelle 20 vorhanden sein: (a) beschichtet auf einer Oberfläche der positiven Elektrode 24; (b) beschichtet auf einer Oberfläche der negativen Elektrode 22; (c) beschichtet auf einer Oberfläche des Separators 26; (d) beschichtet auf einer oder mehreren Porenoberflächen des Separators; oder (e) als Ersatz-Seitengruppe auf ein oder mehrere Polymere aufgepfropft, die den mikroporösen Polymerseparator 26 umfassen. In bestimmten Aspekten können die mit Einfanggruppen, welche die Übergangsmetall-Ionen-Einfanggruppe bilden, funktionalisierten Polymere in Form von Nanopartikeln, wie beispielsweise Nanosphären, bereitgestellt werden. Die Nanopartikel können auf der positiven Elektrode 24, auf der negativen Elektrode 22 und innerhalb oder auf dem Separator 26 angeordnet sein. In anderen Fällen kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in das Elektrolytsystem 30 integriert werden. Wie bereits erwähnt, kann das Elektrolytsystem 30 in mindestens eine oder mehrere der positiven Elektrode 24, der negativen Elektrode 22 und den Separator 26 eingetaucht werden.
  • In verschiedenen Fällen, beispielsweise wenn die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit auf einer oder mehreren Porenoberflächen des Separators beschichtet ist, kann die elektrochemische Zelle 20 eine Menge der mindestens einen Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit beinhalten, die größer als oder gleich etwa 5 Gewichtsprozent (%) eines Gewichts des Separators 26 bis kleiner als oder gleich etwa 50 Gewichtsprozent (%) des Gewichts des Separators 26 ist, optional kann die elektrochemische Zelle 20 eine Menge der mindestens einen Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit beinhalten, die größer als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (%) eines Gewichts des Separators 26 bis kleiner als oder gleich etwa 50 Gewichtsprozent (%) des Gewichts des Separators 26 ist. In anderen Fällen, beispielsweise wenn die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit eine oder mehrere Oberflächen der positiven Elektrode 24, der negativen Elektrode 22, des Separators 26 beschichtet, kann die elektrochemische Zelle 20 Übergangsmetall-Ionenfalleinheiten mit einer Dicke größer als oder gleich etwa 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 5 µm und einer Porosität größer als oder gleich etwa 25% bis kleiner als oder gleich etwa 75% beinhalten.
  • Die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit kann ein oder mehrere Polymere beinhalten, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind. In verschiedenen Fällen kann das eine oder die mehreren Polymere ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Vinylbenzol-Styrol-Copolymer, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Polypropylen-Dien-Monomerkautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Lithiumsalz der Polyacrylsäure (LiPAA), Lithiumsalz des Natriumalginats, Lithiumsalz des Lithiumalginats und Kombinationen derselben. Die eine oder mehreren Einfanggruppen können Alkalimetallsalze (z. B. Malonat) beinhalten, die Übergangsmetall-Ionen durch Ionenaustausch einfangen können, oder eine Verbindung mit kovalenten Bindungen, die mit Übergangsmetallkationen komplexieren können. So können beispielsweise eine oder mehrere Einfanggruppen aus der Gruppe ausgewählt werden, bestehend aus: Azakronenethern, Kronenethern, Siderophoren, Bactinsiderophoren, Orthophenanthrolin, Bidentaten, Oxalaten, Malonaten, Fumaraten, Succinaten, Itaconaten, Phosphonaten, Phosphaten und Kombinationen derselben. In bestimmten Fällen kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit vor dem Einbau oder der Aufnahme in die elektrochemische Zelle 20 gebildet werden. In anderen Fällen kann die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit aus Reaktionen innerhalb der elektrochemischen Zelle 20 resultieren.
  • In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen einen oder mehrere Kronenether beinhalten. Ein Kronenether ist ein zyklischer Ether in welchem der Etherring Sauerstoffatome beinhaltet, die mit einem Übergangsmetallkation einen Komplex bilden können. Der mindestens eine Kronenether kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: 1,7-dialkyldiaza-12-krone-4; 1,4,13-trioxan-7,10-dialkyl-7,10-diazacyclopentadecan; 1,4,10,13-tetraoxa-7,16-dialkyl-7,16-diazacyclooctadecan; 7,16-di(alkylbenzyl)-1,4,10,13-tetra-7,16-diazacyclooctadecan; 3,11-dialkyl-3,11-diaza-1,5,9,13-tetrathiacyclohexadecan; 3,11,19-trialkyl-3,11,19-triaza-1,5,9,13,17,21-hexathiacyclotetracosan; 1,4,7-trialkyl-1,4,7-triazacyclononan; 1,5,9-trialkyl-1,5,9-triazacyclododecan; Tetraalkylcyclen; 1,4,8,11-Tetraalkyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan; Hexaalkylhexacyclen; und Kombinationen derselben.
  • In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen mindestens ein Siderophor beinhalten. Bestimmte Siderophore können vorzugsweise stabile, hexadentate, oktaedrische Komplexe mit Kationen wie Fe3+ bilden. Hochwirksame Siderophore können pro Molekül drei zweizähnige Liganden aufweisen, die mit dem Eisenkation einen Hexadentatkomplex bilden. Typischerweise werden Siderophore nach den Liganden klassifiziert, durch die die Eisenionen chelatisiert werden. Das Siderophor kann einen Liganden (oder ein Derivat eines Liganden) beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
    • einem Katecholat, umfassend eine Phenolat-C6H5(OH)-Gruppe, die allgemein durch die Struktur dargestellt wird
      Figure DE102018116492A1_0001
    • ein Hydroxamat, umfassend eine N(OH)C(=O)C-Gruppe, die allgemein durch die Struktur dargestellt wird
      Figure DE102018116492A1_0002
    • ein Carboxylat, umfassend eine H3C(OH)C(=O)-Gruppe, dargestellt durch die Struktur
      Figure DE102018116492A1_0003
      oder einen Mischliganden. So können beispielsweise die Katecholatsiderophore ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Enterobactin, Bacillibactin, Vibriobactin und Kombinationen derselben. Die Hydroxamatsiderophore können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ferrichrom, Desferrioxamin, Desferrioxamin B, Desferrioxamin E, Fusarinin C, Ornibactin, Rhodotorulasäure und Kombinationen derselben. In bestimmten Variationen können die Carboxylatsiderophore Derivate der Zitronensäure sein. Die gemischten Liganden-Siderophore werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Azotobactin, Pyoverdin und Kombinationen derselben.
  • In bestimmten Variationen können ein oder mehrere Bactinsiderophore beinhalten. Bactine werden von Mikroben erzeugt, um Eisenkationen einzufangen. In bestimmten Variationen kann das Bactinsiderophor ausgewählt werden aus der repräsentativen Gruppe bestehend aus: Ferrichrom, Desferriozamin, Desferrioxamin B, Desferrioxamin E, Fusarinin C, Ornibactin, Rhodotorolsäure, Enterobactin, Amphienterobactin, Bacillibactin, Bicriobactin, Azotobactin, Pyoverdin, Agrobactin, Aerobactin, Yersiniabactin, Salmochelin, Rhizobactin, Vibriobactin, Azotobactin, Pyoverdin und Kombinationen derselben.
  • In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Oxalate beinhalten. Die Oxalate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Oxalatsäure sein. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Malonate beinhalten. Die Malonate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Malonsäure sein. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Fumarate beinhalten. Die Fumarate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Fumarsäure sein. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Succinate beinhalten. Die Succinate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Bernsteinsäure sein. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Itaconate beinhalten. Die Itaconate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Itaconsäure sein. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Bidentate beinhalten. Die Bidentate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) aus organischen Säuren sein. So können beispielsweise nur die Bidentate Iminodiessigsäure-Dilithiumsalz beinhalten. In bestimmten Variationen können eine oder mehrere Einfanggruppen ein oder mehrere Phosphonate beinhalten. Die Phosphonate können polymergebundene Alkalimetallsalze (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) der Phosphonsäure sein.
  • In anderen Fällen können die einen oder die mehreren Einfanggruppen ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: ortho-Phenanthrolin, Malonaten, Fumaraten, Succinaten und Kombinationen derselben. In diesen Fällen können die Malonate polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Malonsäure sein. Die Fumarate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Fumarsäure sein. Die Succinate können polymergebundene Natrium-(Na)- oder Lithium-(Li)-Salze der Bernsteinsäure sein.
  • In weiteren Fällen kann das eine oder die mehreren Einfangmittel ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Alkali- (z. B., Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Cäsium (Cs)) Salze von: Glutarsäure; Bernsteinsäure; Poly(ethylen-alt-maleinsäure); Malonsäure; Undecylensäure; Tricarballylsäure; 1,2,3,4-Tetracarbonsäure; Acrylsäure; Methacrylsäure; Fumarsäure; Glutaconsäure; Zitronensäure; Thiomalat; Ethylendiamintriessigsäureacetamid; 3,3'-Thiodiproprionsäure; Ethylendiamintetracetsäuremonoamid; Iminodiacatat; Copolymere Chitosan und Iminodiacetat; Copolymere Methylvinylether und Maleinsäure; Copolymere Ethylen und Acrylsäure; Copolymere Ethylen und Methacrylsäure; und Kombinationen derselben.
  • In weiteren Fällen können ein oder mehrere Einfangmittel ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: 4-Dimethylaminopyridin; Triphenylphosphin; 2-Mercaptoethylamin; Bipyridin; Diethylentrialkyltriamin; Dimethylamin; Benzyldiphenylphosphin; Dibutylphenylphosphin; Tris(2-aminoethyl)pentalkylamin); Methylsulfanylalkyl; Pyridin; Trialkylethylendiamin; Bis[(diphenylphosphonyl)methyl]amin; (4-Hydroxyphenyl)diphenylphosphin; Diethylaminomethyl; Poly(4-vinylpyridin-cobutylmethacrylat); Poly(2-vinylpyridin-co-styrol); Poly(4-vinylpyridin-co-styrol); und Kombinationen derselben.
  • In verschiedenen Aspekten bindet die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit an Metallionen in der gesamten Lithium-Ionen-Batterie 20, um die Dendritbildung zu minimieren oder zu unterdrücken, die durch die Migration von Übergangsmetall-Ionen innerhalb der Lithium-Ionen-Batterie 20 entstehen kann. Ionenquellen können ein oder mehrere Übergangsmetallelemente, wie beispielsweise Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Kobalt (Co), Zink (Zn) oder andere dieser Metallelemente und deren Legierungen beinhalten. Dadurch können die Metallelemente während des Zellherstellungsprozesses durch Edelstahlinterfusionen oder durch das aktive Material der positiven Elektrode auf Lithiumbasis entstehen.
  • In anderen Fällen, beispielsweise wenn die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit an eine Komponente der elektrochemischen Zelle 20 gebunden ist, beispielsweise eine oder mehrere der positiven oder negativen Elektroden 22, 24 oder des Separators 26, kann die eine oder die mehreren Einfanggruppen der mindestens einen Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit an ein oder mehrere Übergangsmetall-Ionen (z. B., Eisen (Fe)) die Bewegung der Ionen zu oder in Richtung der negativen Elektrode 22 verhindern oder begrenzen. Somit hält die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit die eine oder die mehreren Übergangsmetall-Ionen in situ zurück und verhindert eine Anreicherung auf oder an der negativen Elektrode 22. So kann beispielsweise nur die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in die elektrochemische Zelle 20 als Porenkomponente im Separator 26 integriert werden. In derartigen Fällen können die eine oder die mehreren Einfanggruppen Eisen(Fe)-Ionen einfangen oder mit diesen komplexieren, um die Ionen an die Porenwände des Separators 26 zu binden oder zu sequestrieren, was eine spätere Bewegung der Ionen im Zwischenelektrodenraum verhindert.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • P. Arora und Z. Zhang, „Batterieseparatoren“ Chem. Rev., 104, 4424-4427 (2004) [0054]

Claims (10)

  1. Elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen mit einer verbesserten Kapazitätsretention zyklisiert, umfassend: eine positive Elektrode umfassend ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis und ein oder mehrere polymere Bindemittel; eine negative Elektrode mit einem negativen elektroaktiven Material; einen mikroporösen polymeren Separator, der dazwischen angeordnet ist; und mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit, umfassend ein oder mehrere Polymere, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ortho-Phenanthrolin, Malonaten, Fumaraten, Succinaten und Kombinationen derselben, worin die eine oder die mehreren Einfanggruppen an mindestens ein Übergangsmetall-Ion innerhalb der elektrochemischen Zelle binden, um die Bildung von Dendritvorsprüngen an der negativen Elektrode zu minimieren oder zu unterdrücken.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einem oder mehreren der folgenden eingeschlossen ist: a) auf einer Oberfläche der positiven Elektrode beschichtet; b) auf einer Oberfläche der negativen Elektrode beschichtet; c) auf einer Oberfläche des Separators beschichtet; d) in Poren der positiven Elektrode als Porenfüller angeordnet; e) mit den polymeren Bindemitteln der positiven Elektrode vermischt; f) in Poren des Separators als Porenfüller angeordnet; oder g) als Ersatz-Seitengruppe auf ein oder mehrere Polymere aufgepfropft, die den mikroporösen polymeren Separator bilden.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Elektrolytsystem, worin das Elektrolytsystem die mindestens eine Übergangsmetall-Ionenfangeinheit umfasst und Lithiumionen leitet und das Elektrolytsystem in mindestens eine der positiven Elektroden, der negativen Elektrode oder dem Separator eingetaucht ist.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, worin das Elektrolytsystem weiterhin umfasst: ein oder mehrere Lithiumsalze, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6); Lithiumperchlorat (LiClO4); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4); Lithiumiodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4); Lithiumbis-(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB); Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6); Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3); Bis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF3SO2)2); Lithium-Fluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2); und Kombinationen derselben; und ein oder mehrere Lösungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: zyklischen Carbonaten, acyclischen Carbonaten, aliphatischen Carbonsäureestern, γ-Lactonen, Kettenstrukturethern, zyklischen Ethern und Kombinationen derselben.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin das negative elektroaktive Material der negativen Elektrode eines oder mehrere der folgenden umfasst: Graphit, Lithiumtitanat, Silizium, Silicium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, Siliciumoxide oder Zinnoxide; und das positive elektroaktive Material der positiven Elektrode auf Lithiumbasis beinhaltet eines oder mehrere der Folgenden: Spinell-Lithium-Manganoxid; Lithium-Kobalt-Oxid; Lithium-Eisen-Phosphat; Lithium-Mangan-Phosphat; Lithium-Vanadium-Phosphat; binäre Kombinationen von Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Mangan-Phosphat oder Lithium-Vanadium-Phosphat; ein Lithium-Binäroxid aus zwei Elementen, ausgewählt aus Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co); oder ein lithiertes ternäres Oxid von Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co).
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin das eine oder die mehreren polymeren Bindematerialien ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Vinylbenzol-Styrol-Copolymer, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Ethylen-Polypropylen-Dien-Monomerkautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Lithiumsalz der Polyacrylsäure (LiPAA), Lithiumsalz des Natriumalginats, Lithiumsalz des Lithiumalginats und Kombinationen derselben.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin die Malonate polymergebundene Natrium(Na)- oder Lithium(Li)-Salze der Malonsäure sind; die Fumarate polymergebundene Natrium(Na)- oder Lithium(Li)-Salze der Fumarsäure sind; und die Succinate polymergebundene Natrium(Na)- oder Lithium(Li)-Salze der Bernsteinsäure sind.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin die elektrochemische Zelle die mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit in einer Menge von mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% eines Gewichts des Separators auf weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Gewichts des Separators beinhaltet.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, worin das mindestens eine Übergangsmetall-Ion Eisen(Fe)-Ionen, Nickel(Ni)-Ionen, Kobalt-(Co)-Ionen, Chrom(Cr)-Ionen, Kupfer(Cu)-Ionen, Zink(Zn)-Ionen, Zinn(Sn) oder Kombinationen derselben beinhaltet.
  10. Elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen mit einer verbesserten Kapazitätsretention zyklisiert, umfassend: eine positive Elektrode umfassend ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis und ein oder mehrere polymere Bindemittel; eine negative Elektrode umfassend ein negatives elektroaktives Material; einen dazwischen angeordneten mikroporösen polymeren Separator ein Elektrolytsystem, das innerhalb mindestens einer der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und des Separators angeordnet ist; und mindestens eine Übergangsmetall-Ioneneinfangeinheit, die ein oder mehrere Polymere umfasst, die mit einer oder mehreren Einfanggruppen funktionalisiert sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: ortho-Phenanthrolin, Malonate, Fumarate, Succinate und Kombinationen derselben, worin die eine oder die mehreren Einfanggruppen an Eisen(Fe)-Ionen innerhalb der elektrochemischen Zelle binden, um die Aggregation der Eisen(Fe)-Ionen zu minimieren oder zu unterdrücken, und eine Oberfläche der negativen Elektrode im Wesentlichen frei von vorstehenden Dendriten ist.
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