DE102018128902A1 - Verfahren - Google Patents

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Maik Vieluf
Markus Piwko
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Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bilden eines Energiespeichers (200, 300, 400, 500, 600) bereitgestellt sein, wobei der Energiespeicher (200, 300, 400, 500, 600), aufweist: eine Anode (1012) und eine Kathode (1022), die Anode (1012) aufweisend: ein Anode-Aktivmaterial (1012a), welches ein erstes chemisches Potential aufweist; die Kathode (1022) aufweisend; eine Folie (302), welche Aluminium aufweist; ein Kathode-Aktivmaterial, welches Lithium aufweist, wobei das Kathode-Aktivmaterial ein zweites chemisches Potential aufweist, das verschieden von dem ersten chemischen Potential ist; ein aus der Gasphase gebildetes Schutzmaterial (304), welches das Kathode-Aktivmaterial fluiddicht von der Folie (302) separiert, das Verfahren aufweisend: Beschichten der Folie (302) mit einem Gemisch, welches das Kathode-Aktivmaterial und ein protisches Lösungsmittel aufweist; Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch, mit dem die Folie (302) beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Kathode-Aktivmaterial aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren.
  • Werkstoffe, bzw. Bauelemente, welche in einem Energiespeicher (wie beispielsweise einem Akkumulator) eingesetzt werden, und z.B. zum Kontaktieren oder zum Leiten des elektrischen Stroms verwendet werden, können durch das Aufbringen des Aktivmaterials aus der Suspension dem Risiko ausgesetzt sein, chemisch angegriffen zu werden. Dieses Risiko steigt, je reaktiver die Suspension ist. Bei einer besonders aggressiven Suspension, wie z.B. einer Lauge, können nicht mehr alle Werkstoffe ohne weiteres geeignet sein.
  • Eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie (LIB) besteht beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Elektrode-Aktivmaterialschichten mit jeweils unterschiedlichen Aktivmaterialien (aus Anode-Aktivmaterial und Kathode-Aktivmaterial). Die Elektrode-Aktivmaterialschichten sind jeweils auf einem Stromkollektor aufgebracht und werden durch einen Separator voneinander getrennt, und mit einem, die Porosität füllenden (flüssigen oder festen) Elektrolyt in einer Zelle gegeneinander assembliert.
  • Die Herstellung von LIB-Elektrode-Aktivmaterialschichten erfolgt herkömmlicherweise aus einem sogenannten Schlicker (auch als Aufschlämmung bezeichnet, engl. Slurry), d.h. aus der Flüssigphase. Zum Bilden der Aufschlämmung werden die festen Bestandteile der Elektrode-Aktivmaterialschicht (Aktivmaterial, Binder, Leitadditive, usw.) zusammen mit einem Lösungsmittel vermischt und diese anschließend auf ein in der Zelle als Stromkollektor fungierendes Substrat aufgebracht. Das Lösungsmittel muss anschließend über sogenannte Trockenstrecken wieder aus der auf dem Stromkollektor aufgebrachten Schlicker ausgetragen (verdampft) werden, so dass diese aushärtet.
  • Zum Bilden der Aufschlämmung einsetzbare Lösungsmittel sind jedoch sehr stark begrenzt aufgrund einer Vielzahl von Anforderungen, die mit der Bildung der LIB-Elektrode verbunden sind. So sollte das Lösungsmittel typischerweise inert gegen die Bestandteile der Elektrode (und dem Substrat sein (d.h. diese chemisch nicht verändern), der verwendete Binder darin eine gute Löslichkeit besitzen, idealerweise einen hohen Dampfdruck und einen geringen Siedepunkt aufweisen (zur schnellen Verdampfung), Agglomerationen und Sedimentation der festen Elektrodenbestandteile in der Aufschlämmung verhindern, sowie eine gute Benetzung auf hydrophoben metallischen Substraten ermöglichen.
  • Aufgrund dieser Anforderungen wird herkömmlicherweise, insbesondere für die Herstellung einer LIB-Kathode aus einem lithiumhaltigen Aktivmaterial, aprotisches N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel verwendet. Andere beispielsweise die Auslaugung von Lithium-Ionen nicht verhindernde Lösungsmittel, beispielsweise protische Lösungsmittel, werden hingegen vermieden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wurde erkannt, dass NMP eine hohe Toxizität und Reproduktionstoxizität sowie einen Verdacht auf Karzinogenität aufweist, entflammbare Gase abgibt und hohe Kosten in Anschaffung und Verwendung hervorruft, z.B. aufgrund einer komplexen Fertigungsumgebung, welche die Verarbeitung von NMP handhabbar macht, wie etwa eine wasserarme Fertigungsumgebung, eine Absaugung der Trockenstrecke und/oder ein Rückgewinnung des verdampften NMP, usw.
  • Anschaulich wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Substitution von NMP bereitgestellt, beispielsweise mit Wasser oder einem Alkohol. Damit wird ebenso eine Alternative zur gänzlich trockenen Herstellung von LIB-Elektroden bereitgestellt, welche kostenintensiv ist und schlechtere Resultate liefert. Wird NMP oder Wasser als Lösungsmittel verarbeitet, kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen auf eine wasserarme Fertigungsumgebung verzichtet werden.
  • In dem Zusammenhang wurde erkannt, dass beispielsweise der Einsatz von Wasser oder Alkohol als Lösungsmittel für den Schlicker zur Herstellung einer LIB-Elektrode erschwert ist, aufgrund der Auslaugung (im speziellen für die Kathode die Auswaschung von Lithium) des Aktivmaterials und der Korrosion des Substrates, z.B. einer Aluminiumfolie. Weiterhin sind Wasser und Alkohol im Gegensatz zu NMP ein protisches Lösungsmittel, so dass das Risiko bestehen kann, dass die Aktivmaterialpartikel nach dem Mischen zum Agglomerieren neigen können und die Benetzung des Schlickers auf einer hydrophoben metallischen Stromkollektorfolie verschlechtert sein kann.
  • Zwar bildet Aluminium eine native Oxidschicht aus. Allerdings führt der Einsatz von Wasser und/oder Alkohol dazu, dass Bestandteile des Aktivmaterials (z.B. Lithium) in das Wasser übergehen können, worauf dieses alkalisch wird. Die so gebildete alkalische Flüssigphase greift ab einem pH-Wert von ungefähr > 8,5 die native Oxidschicht an, nach deren Versagen das alkalische Wasser mit dem metallischen Aluminium reagiert und so das Aluminium korrodiert. Die Korrosion kann erfolgen gemäß den folgenden Ausdrücken: Al2O3 + 20H- +3H2O -> 2 [Al (OH) 4]- 2Al + 2OH- +6H2O -> 2 [Al (OH) 4]- + 3H2
  • Das Reaktionsprodukt [Al(OH)4]- ist löslich in Wasser, d.h. die native Oxidschicht bzw. das Aluminium reagieren fortschreitend weiter mit dem Wasser, wobei die dabei gebildeten Reaktionsprodukte sich darin auflösen, was die Korrosion anschaulich weiter antreibt.
  • Anschaulich wurde gemäß verschiedenen Ausführungsformen erkannt, dass eine Schutzschicht, die gegenüber einer alkalischen Umgebung eine höhere chemische Beständigkeit aufweist als das native Oxid des Aluminiums (z.B. Aluminiumoxid), den Einsatz von Wasser und/oder Alkohol erleichtert. Die mit der Schutzschicht versehende Aluminiumfolie ist anschaulich reaktionsträge gegenüber der alkalischen Flüssigphase, so dass diese als Stromkollektor in einer Energiezelle (z.B. einer Hochenergiezelle) eingesetzt werden kann, ohne zu schnell zu korrodieren.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bilden eines Energiespeichers bereitgestellt sein, wobei der Energiespeicher, aufweist: eine Anode und eine Kathode, die Anode aufweisend: ein Anode-Aktivmaterial, welches ein erstes chemisches Potential aufweist, eine optionale Folie, welche beispielsweise Kupfer aufweist und/oder mit dem Anode-Aktivmaterial beschichtet ist; die Kathode aufweisend; eine Folie, welche Aluminium aufweist; ein Kathode-Aktivmaterial, welches Lithium aufweist (auch als lithiumhaltiges Kathodenaktivmaterial bezeichnet), wobei das Kathode-Aktivmaterial ein zweites elektrochemisches Potential aufweist, das verschieden von dem ersten chemischen Potential ist; ein aus der Gasphase gebildetes Schutzmaterial, welches das Kathode-Aktivmaterial fluiddicht von der Folie separiert, das Verfahren aufweisend: Beschichten der Folie mit einem Gemisch, welches das Kathode-Aktivmaterial und ein protisches Lösungsmittel aufweist; Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch, mit dem die Folie beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Kathode-Aktivmaterial aufweist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird im Folgenden zum einfacheren Verständnis auf das Kathode-Aktivmaterial und das Anode-Aktivmaterial Bezug genommen. Das Kathode-Aktivmaterial kann optional als Schicht oder Beschichtung (bzw. als Teil dieser) bereitgestellt sein oder werden (auch als Kathode-Aktivmaterialschicht bezeichnet). Alternativ oder zusätzlich kann Anode-Aktivmaterial als Schicht oder Beschichtung (bzw. als Teil dieser) bereitgestellt sein oder werden (auch als Anode-Aktivmaterialschicht bezeichnet). Die jeweilige Anode/Kathode-Aktivmaterialschicht kann das das entsprechende Anode/Kathode-Aktivmaterial aufweisen und sowie optional einen Binder und/oder optional ein oder mehr als ein Leitadditiv.
  • Das im Folgenden für das Anode-Aktivmaterial beschriebene kann in Analogie für die Anode-Aktivmaterialschicht und das für das Kathode-Aktivmaterial beschriebene kann in Analogie für die Kathode-Aktivmaterialschicht gelten.
  • Beispielsweise kann das Verfahren zum Bilden eines Energiespeichers bereitgestellt sein, wobei der Energiespeicher, aufweist: eine Anode und eine Kathode, die Anode aufweisend: eine Anode-Aktivmaterialschicht, welche ein erstes chemisches Potential aufweist, eine optionale Folie, welche beispielsweise Kupfer aufweist und/oder mit dem Anode-Aktivmaterial beschichtet ist; die Kathode aufweisend; eine Folie, welche Aluminium aufweist; eine Kathode-Aktivmaterialschicht, welche ein lithiumhaltiges Kathodenaktivmaterial aufweist, wobei die Kathode-Aktivmaterialschicht ein zweites chemisches Potential aufweist, das verschieden von dem ersten chemischen Potential ist; ein aus der Gasphase gebildetes Schutzmaterial, welches die Kathode-Aktivmaterialschicht fluiddicht von der Folie separiert, das Verfahren aufweisend: Beschichten der Folie mit einem Gemisch, welches das Kathode-Aktivmaterial, und ein protisches Lösungsmittel aufweist, sowie optional einen Binder und/oder optional ein oder mehr als ein Leitadditiv aufweist; Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch, mit dem die Folie beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Kathode-Aktivmaterial aufweist.
  • Es zeigen
    • 1A und 1B jeweils ein Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagram; und
    • 2, 3 und 4 jeweils einen Energiespeicher gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht; und
    • 5 und 6 jeweils einen Energiespeicher in einem gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (z.B. ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Begriff „gekoppelt“ oder „Kopplung“ im Sinne einer (z.B. mechanischen, hydrostatischen, thermischen und/oder elektrischen), z.B. direkten oder indirekten, Verbindung und/oder Wechselwirkung verstanden werden. Mehrere Elemente können beispielsweise entlang einer Wechselwirkungskette miteinander gekoppelt sein, entlang welcher die Wechselwirkung (z.B. ein Signal) übertragen werden kann. Beispielsweise können zwei miteinander gekoppelte Elemente eine Wechselwirkung miteinander austauschen, z.B. eine mechanische, hydrostatische, thermische und/oder elektrische Wechselwirkung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann „gekuppelt“ im Sinne einer mechanischen (z.B. körperlichen bzw. physikalischen) Kopplung verstanden werden, z.B. mittels eines direkten körperlichen Kontakts. Eine Kupplung kann eingerichtet sein, eine mechanische Wechselwirkung (z.B. Kraft, Drehmoment, etc.) zu übertragen.
  • Als Energiespeicherzelle (auch als Zelle bezeichnet) kann die kleinste spannungserzeugende Einheit eines Energiespeichers verstanden werden, welche beispielsweise genau ein Paar aus Kathode und Anode aufweist. Die Energiespeicherzelle stellt die Grundspannung des Energiespeichers bereit, welcher, je nach Verschaltung eine Spannung gleich zu der Grundspannung oder eine Spannung, die ein Vielfaches der Grundspannung sein kann, bereitstellt. Die oder jede Energiespeicherzelle kann (z.B. genau) ein Anode-Aktivmaterial (z.B. als Bestandteil einer eine Anode-Aktivmaterialschicht) und (z.B. genau) ein Kathode-Aktivmaterial (z.B. als Bestandteil einer Kathode-Aktivmaterialschicht) aufweisen, welche fluidleitend und/oder ionenleitend miteinander verbunden sind (z.B. mittels eines Hohlraumes, in dem das Elektrolyt aufgenommen sein oder werden kann).
  • Die elektrochemische Stabilität eines ersten Materials gegenüber einem oder mehr als einem zweiten Material (z.B. einem Gemisch mehrerer zweiter Materialen) kann von der Art der jeweiligen Materialkombination abhängen und im Allgemeinen auf genau eine Materialkombination bezogen sein. Die chemische Stabilität eines ersten Materials gegenüber einem zweiten Material, das als Referenzmaterial dienen kann, kann der Kehrwert der Reaktionsgeschwindigkeit dieser miteinander verstanden werden. Dasselbe gilt in Analogie, wenn das erste Material dem Gemisch mehrerer zweiter Materialen ausgesetzt ist.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt die Menge gleicher Reaktionen in Stoffmenge pro Zeit- und Volumeneinheit (z.B. mol/(s·m3)) mittels der Materialkombination (z.B. das erste Material und das eine oder mehr als eine zweite Material aufweisend) an. Eine hohe chemische Stabilität hat eine hohe Reaktionsträgheit zur Folge (d.h. dass die Materialkombination kaum oder gar nicht miteinander reagiert). Die chemische Stabilität kann beispielsweise von dem pH-Wert der Materialkombination (z.B. des Referenzmaterials) oder der Umgebung, der das erste Material ausgesetzt ist, abhängen. Der Bereich des pH-Werts, in dem das erste Material chemisch stabil ist, kann auch als chemisches Stabilitätsfenster oder pH-Wert-Stabilitätsfenster bezeichnet werden.
  • Innerhalb des pH-Wert-Stabilitätsfensters kann die Reaktionsgeschwindigkeit beispielsweise weniger als 0,1% der Reaktionsgeschwindigkeit außerhalb des pH-Wert-Stabilitätsfensters sein. Mit anderen Worten ist die chemische Stabilität allgemein auf eine Materialkombination (z.B. Aluminium/Aluminiumoxid und Wasser) bezogen, während das pH-Wert-Stabilitätsfenster spezieller auf die chemische Stabilität dieser Materialkombination zwischen zwei pH-Werten (die einen pH-Wertbereich einschließen) bezogen ist.
  • Das pH-Wert-Stabilitätsfenster von Aluminiumoxid ist beispielsweise in einem pH-Wertbereich von ungefähr 4,5 bis ungefähr 8,5. Außerhalb dieses Bereichs erfolgt eine Korrosion der nativen Oxidschicht des Aluminiums, worauf hin das metallische Aluminium ungeschützt zurückbleibt. Das ungeschützte Aluminium kann daraufhin ebenfalls korrodierenden, das heißt chemisch reagieren, z.B. mit Wasser.
  • Die Reaktion kann erfolgen gemäß den folgenden Ausdrücken: Al2O3 + 2OH- +3H2O -> 2 [Al (OH) 4]- 2Al + 2OH- +6H2O -> 2 [Al (OH) 4]- + 3H2
  • Das Reaktionsprodukt [Al(OH)4]- ist löslich in Wasser, d.h. die native Oxidschicht bzw. das Aluminium reagieren fortschreitend weiter mit dem Wasser, wobei die dabei gebildeten Reaktionsprodukte sich darin auflösen, was die Korrosion anschaulich weiter antreibt.
  • Bei hohen pH-Werten (z.B. über 8,5) werden beispielsweise verschiedene wasserlösliche Aluminiumverbindungen gebildet, welche mit den Bestandteilen der Kathode-Aktivmaterialschicht reagieren und/oder zu Agglomeration/Sedimentation dieser in der Schlicker und/oder auf der Stromkollektorfolie führen können, die rheologischen Eigenschaften des Schlickers verändern können, sowie die Haftfestigkeit der Kathode-Aktivmaterialschicht auf der Stromkollektorfolie beeinträchtigen können. Diese Effekte, sowie das korrodierte Aluminium selbst kann die Stromleitfähigkeit der Elektrode, deren Lebensdauer und oder deren Zyklenfestigkeit herabsetzen.
  • Der pH-Wert eines Materials (z.B. einer Flüssigphase) kann verstanden werden als die Gegenzahl des dekadischen Logarithmus der Wasserstoffionen-Aktivität (z.B. Oxoniumaktivität) des Materials. Die Aktivität des Wasserstoffions ist das Produkt der Molalität des Wasserstoffions (mH+ in mol/kg) und des Aktivitätskoeffizienten des Wasserstoffions (γH) geteilt durch die Einheit der Molalität (m0 in mol/kg). Als erste Näherung dessen kann die Oxoniumaktivität für eine verdünnte Lösung oder Suspension gleich der Maßzahl der Oxoniumionen-Konzentration (in mol/dm3 bzw. mol/l) gesetzt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Folie (eine Aluminiumfolie oder eine mit Aluminium beschichtete Folie) eine Dicke (d.h. quer zur lateralen Ausdehnung der Folie) aufweisen, welche kleiner ist als 40 µm, z.B. kleiner als ungefähr 35 µm, z.B. kleiner als ungefähr 30 µm, z.B. kleiner als ungefähr 25 µm, z.B. kleiner als ungefähr 20 µm, z.B. kleiner als ungefähr 15 µm, z.B. kleiner als ungefähr 10 µm, z.B. kleiner als ungefähr 5 µm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 3 µm bis ungefähr 20 µm, z.B. ungefähr 5 µm oder z.B. ungefähr 15 µm.
  • Die Folie kann beispielsweise eine Breite, d.h. eine Ausdehnung in Richtung derer lateraler Ausdehnung (z.B. senkrecht zur Transportrichtung), in einem Bereich von ungefähr 0,01 m bis ungefähr von 7 m aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0,1 m bis ungefähr von 5 m, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m und ferner eine Länge, d.h. eine Ausdehnung in Richtung derer lateraler Ausdehnung quer zur Breite (z.B. parallel zur Transportrichtung), von mehr als 0,01 m aufweisen, z.B. mehr als 0,1 m, z.B. mehr als 1 m, z.B. mehr als 10 m (dann kann die Folie 302 z.B. von Rolle zu Rolle transportiert werden), z.B. mehr als 50 m, z.B. mehr als 100 m, z.B. mehr als 500 m, z.B. mehr als 1000 m oder mehrere tausend Meter.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Folie ein Laminat aus zumindest einem Kunststoff und Aluminium aufweisen. Beispielsweise kann die Folie eine (z.B. einseitig oder zweiseitig) mit dem Aluminium beschichtete Kunststofffolie aufweisen oder daraus gebildet sein. Alternativ kann die Folie aus dem Aluminium gebildet sein. Beispielsweise kann die Folie zu mehr als 50 at-% aus dem Aluminium bestehen, z.B. zu mehr als 70 at-% aus dem Aluminium, oder z.B. zu mehr als 90 at-% aus dem Aluminium.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Metall (auch als metallischer Werkstoff bezeichnet) allgemeiner zumindest ein metallisches Element (d.h. ein oder mehrere metallische Elemente) aufweisen (oder daraus gebildet sein), z.B. zumindest ein Element aus der Folgenden Gruppe von Elementen: Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Titan (Ti), Nickel (Ni), Silber (Ag), Chrom (Cr), Platin (Pt), Gold (Au), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Vanadium (V), Barium (Ba), Indium (In), Calcium (Ca), Hafnium (Hf), Samarium (Sm), Silber (Ag), oder Lithium (Li). Ferner kann ein Metall eine metallische Verbindung (z.B. eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung) aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. eine Verbindung aus zumindest zwei metallischen Elementen (z.B. aus der Gruppe von Elementen), wie z.B. Bronze oder Messing, oder z.B. eine Verbindung aus zumindest einem metallischen Element (z.B. aus der Gruppe von Elementen) und mindestens einem nichtmetallischen Element, wie z.B. Stahl.
  • Allgemein lassen sich Lösungsmittel in protisch und aprotisch unterteilen. Sobald ein Molekül und/oder ein Material daraus über eine funktionelle Gruppe (z.B. eine OH-Gruppe) verfügt, aus der Wasserstoffatome im Molekül als Protonen abgespalten werden können (Dissoziation), spricht man von einem protischen Lösungsmittel. Diese stehen den aprotischen Lösungsmitteln gegenüber. Das protische Lösungsmittel kann beispielsweise eines oder mehr als eines der folgenden Lösungsmittel aufweisen oder daraus gebildet sein: Wasser, Methanol, Ethanol, eine organische chemische Verbindung vom Typ des Alkohols (auch als Alkohol bezeichnet). Das wichtigste protische Lösungsmittel ist Wasser, das (vereinfacht) in ein Proton und ein Hydroxid-Ion dissoziiert.
  • Als Elektrolyt kann ein Material oder Materialgemisch verstanden werden, welches eingerichtet ist Lithium-Ionen zu leiten, d.h. Lithium-ionenleitfähig eingerichtet ist. Der Elektrolyt kann beispielsweise einen der folgenden Elektrolyttypen aufweisen oder daraus gebildet sein: ein flüssiger und/oder salzbasierter Elektrolyt (z.B. ein Leitsalz, ein Lösungsmittel und optional ein oder mehr als ein Additiv aufweisend oder daraus gebildet), ein Polymerelektrolyt, ein Elektrolyt auf Basis einer ionischen Flüssigkeit, ein Feststoffelektrolyt.
  • Ein Elektrolyt kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen zumindest eines von Folgendem aufweisen: Salz (wie LiPF6 (Lithiumhexafluorophosphat), LiBF4 (Lithiumtetrafluorborat) oder LiBOB (Lithium bis(oxalato)borat)), wasserfreies aprotisches Lösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, usw.), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP), Li3PO4N Lithiumphosphatnitrid.
  • Ein Feststoffelektrolyt kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen zumindest eines von Folgendem aufweisen:: ein superionisches Material aus der Gruppe der NASICON (natriumhaltigen superionischen Leiter), ein superionisches Material aus der Gruppe der LISICON (lithiumhaltigen superionischen Leiter), ein sulfidisches Glas, und/oder LiPON (Lithium-Phosphor-Oxinitrid).
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine mittels eines Verfahrens, wie hierin beschrieben ist, bearbeitete Folie in einem Energiespeicher verwendet werden, z.B. einer Batterie, z.B. einem Akkumulator, z.B. einem Lithium-Ionen-Akkumulator. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Folie in einer oder jeder Elektrode (z.B. Anode und/oder Kathode) des Energiespeichers verwendet werden.
  • Ein Energiespeicher kann beispielsweise einen speziellen Lithium-Ionen-Akkumulator-Typ aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. , ein Lithium-Schwefel-Akkumulator, ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Akkumulator, ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid-Akkumulator, ein Lithium-Nickel-Mangan-Oxid-Akkumulator, ein Lithium-Polymer-Akkumulator, ein Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator (LiCoO2), ein Lithium-Titanat-Akkumulator, ein Lithium-Luft-Akkumulator, ein Lithium-Mangandioxid-Akkumulator, ein Lithium-Mangan-Oxid-Akkumulator, ein Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4), ein Lithium-Mangan-Akkumulator, und/oder ein Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator. Der erste Teil dieser Notation kann zu dem Hauptreaktivmaterial (z.B. Lithium) korrespondieren und der zweite Teil der Notation kann zu dem Kathode-Aktivmaterial korrespondieren. Allgemeiner gesprochen kann der Energiespeicher einen Li-Ion-Akkumulator aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. einen Li-LFP-Akkumulator, Li-NMC-Akkumulator, Li-S-Akkumulator, Li-O-Akkumulator, oder Ähnliches.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schutzschicht eine Dicke (Schichtdicke, d.h. quer zur lateralen Ausdehnung der Folie) in einem Bereich von ungefähr 5 nm (Nanometer) bis ungefähr 1 µm (Mikrometer) aufweisen, z.B. in einem Bereich von 10 nm ungefähr bis ungefähr 200 nm oder in einem Bereich von ungefähr 5 nm bis ungefähr 500 nm aufweisen, z.B. in einem Bereich von 100 nm ungefähr bis ungefähr 200 nm. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzschicht ein von dem ersten Metall verschiedenes zweites Metall aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispielsweise kann die Schutzschicht zu mehr als 50 at-% aus dem zweiten Metall, z.B. zu mehr als 70 at-% aus dem zweiten Metall, oder z.B. zu mehr als 90 at-% aus dem zweiten Metall, bestehen.
  • Ein Aktivmaterial kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen als Teil einer Aktivmaterialschicht bereitgestellt sein oder werden. Im Allgemeinen kann das Aktivmaterial auch anderweitig bereitgestellt sein oder werden und daher im Folgenden allmeiner als Aktivmaterial bezeichnet sein. Das Beschriebene für das Aktivmaterial kann in Analogie auch für eine Aktivmaterialschicht gelten.
  • Ein Aktivmaterial (z.B. das Anode-Aktivmaterial und/oder das Kathode-Aktivmaterial), z.B. eine Aktivmaterialschicht, kann im Allgemeinen eine große spezifische Oberfläche aufweisen, z.B. größer als die der Folie und/oder die Schutzschicht. Dazu kann das Aktivmaterial, z.B. die Aktivmaterialschicht, beispielsweise porös sein, d.h. Poren oder andere Hohlräume aufweisen, z.B. ein Netzwerk aus untereinander verbundenen Poren und/oder Gängen. Beispielsweise kann das Aktivmaterial eine Porosität in einem Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 80% (z.B. in einem Bereich von ungefähr 20% bis ungefähr 40% oder ungefähr bis 80%) aufweisen. Alternativ kann das Anode-Aktivmaterial eine kompakte Lithiumschicht aufweisen (z.B. eine Lithiummetallanode. Beispielsweise kann eine porenfreie Lithiummetallschicht als Anode-Aktivmaterial verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Aktivmaterialschicht bzw. ein Aktivmaterial eine Dicke (Schichtdicke, d.h. quer zur lateralen Ausdehnung der Folie) in einem Bereich von ungefähr 5 µm bis ungefähr 500 µm aufweisen, z.B. in einem Bereich von 5 µm ungefähr bis ungefähr 100 µm.
  • Beispielsweise kann das Aktivmaterial als Teil eines Gemischs (z.B. als Teil einer Aktivmaterialschicht, wie Anode-Aktivmaterialschicht und/oder Kathode-Aktivmaterialschicht) bereitgestellt sein oder werden, wobei das Gemisch aufweisen kann: das Aktivmaterial, ein oder mehr als ein Leitadditiv (beispielsweise Leitruss, Kohlenstoffnanoröhren und/oder Kohlenstofffasern), und/oder ein oder mehr als ein Bindermaterial (z.B. Polytetrafluorethylen, Polyethylenoxid, Styrol-Butadien-Kautschuk, Carboxymethylcellulosen, Polyvinylidenfluorid, usw.) aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Bindermaterial kann beispielsweise ein Polymer aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Aktivmaterial kann das Anode-Aktivmaterial oder das Kathode-Aktivmaterial sein.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung kann das Anode-Aktivmaterial beispielsweise eines oder mehr als eines von Folgenden Materialien aufweisen oder daraus gebildet sein: Kohlenstoff (bspw. Graphit, hard-carbon, carbon black), Silizium, Silicide, Lithium, Lithium-Titanat (Li4Ti5O12), Zinn, Zink, Aluminium, Germanium, Magnesium, Blei, Antimon oder Übergangsmetalloxide, -sulfide, -nitride, phosphide, fluoride (AxBy mit A= Fe, Co, Cu, Mn, Ni, Ti, V, Cr, Mo, W, Ru und B= O, S, P, N, F; bspw. Cr2O3). Allgemeiner gesprochen kann das Anoden-Aktivmaterial ein Material sein, was lithiiert, d.h. elektrochemisch mit Lithium reagiert (z.B. z.B. einer Lithiumverbindung) und/oder Lithium einlagert.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung kann das Kathode-Aktivmaterial beispielsweise eines von Folgenden Materialien aufweisen oder daraus gebildet sein: Lithium-Eisenphosphat (LFP), Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), Lithium-Manganoxid (LMO), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide (NCA), Lithium-Nickel Mangan-Oxid (LNMO), Lithium-Cobalt-Oxide (LCO), Lithium-Vanadium-Oxid (LVO), Lithium-Mangan-Phosphat (LMP), Lithium-Nickel-Phosphat (LNP), Lithium-Cobalt-Phosphat (LCP), Lithium-Vanadium-Phosphat (LVP), Lithium-Sulfid oder Lithium-Oxid.
  • Wird eine Kohlenstoffschicht aus der Flüssigphase (z.B. aus einer Suspension bzw. Dispersion) auf einem Stromkollektor abgeschieden, kann eine Dicke von 5 µm oder mehr erforderlich sein, um anschaulich eine gute elektrochemische Leistungsfähigkeit der Elektrode (ähnlich zu der mit NMP-Schlickern hergestellten Elektrode) zu erreichen; und/oder um eine Korrosion der Aluminiumfolie in wässrigen Aufschlämmung und die damit verbundenen negativen Einflüsse auf die Verarbeitbarkeit und/oder die elektrochemische Eigenschaften der Elektrode zu vermeiden. Diese flüssigabgeschiedene Kohlenstoffschicht ist allerdings schwer in die Massenfertigung zu überführen. Einerseits neigt die flüssigabgeschiedene Kohlenstoffschicht aufgrund ihrer Schichtdicke zum Abblättern erschwert so ein Aufrollen des Stromkollektors, wenn vermieden werden soll, dass die Kohlenstoffschicht undicht wird. Anschaulich kann die Undichtheit der Kohlenstoffschicht zu einer Korrosion an dieser Stelle führen, welche nach und nach merkliche Areale des Stromkollektors erfasst. Lässt sich der Stromkollektor allerdings nicht von der Rolle verarbeiten, entstehen große Kosten aufgrund der aufwändigen Prozessführung. Die Kohlenstoffschicht kann aber auch in der späteren Energiespeicherzelle eine inaktive Komponente sein, die je nach ihrem Gewichtsanteil die spezifische Energie und/oder Energiedichte der Energiespeicherzelle vermindert. Weiterhin kann eine dicke Kohlenstoffschicht zu einem erhöhten Innenwiderstand der Energiespeicherzelle führen. Beispielsweise geht eine geringe Dicke einer Kohlenstoffschicht mit einem geringen Verlust der Funktionalität der Energiespeicherzelle einher.
  • Die geringe Rohdichte einer granularen flüssigabgeschiedenen Kohlenstoffschicht kann ein nur schwer zu kompensierender Parameter sein. Mit abnehmender Dicke der Kohlenstoffschicht kann der Stromkollektor zunehmend ungeschützt oder mangelhaft geschützt sein. Eine etwaige konvexe Krümmung beim Aufrollen des Stromkollektors (z.B. bei einer Rundzelle) kann zu einer Verringerung der Rohdichte der Kohlenstoffschicht führen, was die benötigte Dicke der Kohlenstoffschicht weiter vergrößert.
  • Andererseits neigt eine dünnere flüssigabgeschiedene Kohlenstoffschicht dazu, eine Rest-Porosität aufzuweisen, so dass insbesondere bei größeren Flächen das Risiko zunimmt, dass die Kohlenstoffschicht undicht ist.
  • Alternative herkömmliche Ansätze zum Einsatz von Wasser können allerdings die Leistungsfähigkeit von NMP nicht erreichen. Beispielsweise wird herkömmlicherweise mithilfe einer Koronarbehandlung die Benetzung des Schlickers auf Basis von Wasser als Lösungsmittel auf reiner Aluminiumfolie verbessert. Dieser Ansatz hemmt allerdings weder die Korrosion der Aluminiumfolie noch die Auslaugung des Aktivmaterials. Alternativ erfolgt die Zugabe einer Säure zu dem Schlicker zu deren Neutralisierung. Damit lässt sich zwar die Korrosion der Aluminiumfolie hemmen, allerdings kann das ausgelaugte Aktivmaterial nicht seine volle Leistungsfähigkeit erreichen. Die Zugabe von Säure zum Schlicker kann ebenfalls zu Reaktionen mit dem Aktivmaterial führen und dieses somit verschlechtern. Ebenso kann es notwendig sein, den pH-Wert der Aufschlämmung auch während der Trocknung zu monitorieren.
  • Alternativ wird herkömmlicherweise das Aktivmaterial mit einem organischen (beispielsweise mit einem Fluor-haltigen Polymer) oder anorganischen (beispielsweise mit Al2O3 bzw. ZrO2) Material beschichtet. Dies hemmt zwar das Auslaugen des Aktivmaterials, allerdings nicht zuverlässig die Korrosion der Aluminiumfolie sowie die Agglomeration und ist kostenintensiv.
  • Wird NMP als Lösungsmittel verwendet, muss die Verarbeitung aufwändig in Trockenräumen erfolgen, damit dieses kein Wasser aufnimmt. Der/Das gemäß verschiedenen Ausführungsformen bereitgestellte Energiespeicher/Verfahren ermöglichen, dass das NMP Wasser aufnehmen kann und die Flüssigphase infolgedessen alkalisch wird, ohne dass die verwendete Stromkollektorfolie während der Elektrodenherstellung korrodiert.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden ein Energiespeicher und ein Verfahren bereitgestellt, welches ermöglichen, die Herstellung einer Elektrode, im speziellen der Kathode, aus Schlickern auf Basis von Wasser als Lösungsmittel (idealerweise sogar gänzlich ohne andere Lösungsmittel) zu vereinfachen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen der bereitgestellte Energiespeicher und das bereitgestellte Verfahren, dass diese Elektrode weniger Einbußen in ihrer elektrochemischen Leistungsfähigkeit (z.B. bezüglich ihrer Kapazität, Zyklenstabilität, Ratenfähigkeit, etc.) aufweisen, als herkömmliche Ansätze der Elektrodenherstellung auf Basis von Wasser als Lösungsmittel.
  • Anschaulich kann beispielsweise eines von Folgendem bereitgestellt sein oder werden:
    • • eine Beschichtung des Aktivmaterials zum Schutz vor Auslaugung und/oder zum Hemmen der Agglomerationen;
    • • eine Beschichtung des metallischen Stromkollektorsubstrats (insbesondere von Aluminium) zum Schutz vor Korrosion und zur homogenen Benetzung des Schlickers auf dem Stromkollektorsubstrat.
  • 1A veranschaulicht ein Verfahren 100a gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagramm, welches beispielsweise eine beschichtete Folie 512 bereitstellt (vgl. 5).
  • Das Verfahren 100a kann in 110 aufweisen: Transportieren einer Folie in einem Beschichtungsbereich, der z.B. in einer Vakuumkammer angeordnet ist und/oder ein Vakuum aufweist, wobei die Folie Aluminium aufweist oder daraus gebildet ist. Beispielsweise kann das Transportieren der Folie in einem Beschichtungsbereich einer Vakuumkammer erfolgen, wobei die Folie eine metallische Oberfläche aus Aluminium bzw. einer nativen Oxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums aufweist.
  • Das Verfahren 100a kann in 120 aufweisen: Beschichten der Folie mit einer Schutzschicht 304 unter Verwendung eines gasförmigen Beschichtungsmaterials. Das Beschichten kann aufweisen: Erzeugen von Materialdampf (auch als gasförmiges Beschichtungsmaterial bezeichnet) in dem Beschichtungsbereich bzw. dem Vakuum. Ferner kann das Beschichten aufweisen: Bilden einer elektrisch leitfähigen Schutzschicht (auch als Kontaktschicht bezeichnet) auf der metallischen bzw. nativen Oxid-Oberfläche der Folie, wobei das Bilden der elektrisch leitfähigen Schutzschicht aus zumindest dem Materialdampf erfolgt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Beschichten der Folie mit einer Schutzschicht mittels einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) erfolgen, z.B. indem das Schutzmaterial verdampft wird. Alternativ kann das Beschichten der Folie mit der Schutzschicht mittels einer chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) erfolgen, z.B. mittels Atomlagenabscheidung (ALD). Eine solche vakuumbasierte Beschichtung bzw. Beschichtung aus der Gasphase kann anschaulich eine sehr dünne Schutzschicht ermöglichen, welche fluiddicht und/oder ionendicht sein kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein vakuumbasiertes Verfahren (z.B. zur optional einseitigen oder beidseitigen) Abscheidung von der Schutzschicht bereitgestellt. Dieses Verfahren kann z.B. auf dünne Aluminiumfolien (Al-Folien) oder anderen Folien mit einer Aluminiumoberfläche angewendet werden, z.B. auf eine mit Aluminium veredelte Polymerfolie. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden mittels des Verfahrens ein oder mehr als ein gegenüber einer Lauge (d.h. einer alkalischen Aufschlämmung oder Lösung) chemisch beständiger und elektrisch leitfähiger Stromkollektor mit geringem Oberflächenkontaktwiderstand bereitgestellt.
  • Dazu kann das Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen ferner aufweisen: optionales Entfernen einer Oberflächenschicht (z.B. zumindest der nativen Passivierungsschicht) der Folie (z.B. vor dem Beschichten) zum zumindest teilweisen Freilegen des metallischen Aluminiums der Folie, so dass eine (z.B. freiliegende) Aluminiumoberfläche gebildet wird. Das Entfernen der Oberflächenschicht kann unter Verwendung eines Plasmas erfolgen, d.h. mittels eines so genannten Plasmaätzens.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das gasförmige Beschichtungsmaterial (wird auch als Materialdampf bezeichnet) ein Metall (z.B. Ni, Ti oder Cu) aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispielsweise kann das gasförmige Beschichtungsmaterial Titan aufweisen oder daraus gebildet sein. Unter Verwendung des gasförmigen Beschichtungsmaterials, welches zumindest Titan aufweist oder daraus gebildet ist, kann z.B. eine Titanschicht als Schutzschicht gebildet sein oder werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Schutzschicht eine geometrische Raumfüllung, d.h. das Verhältnis Rohdichte zu Reindichte, von mehr als ungefähr 80% aufweisen, z.B. mehr als ungefähr 90%, z.B. ungefähr 100%. Mit anderen Worten kann das Gefüge der Schutzschicht einen Anteil von Poren oder Hohlräumen am Gesamtvolumen (z.B. einer Beschichtung) von weniger als ungefähr 20% aufweisen, z.B. weniger als ungefähr 10%, z.B. weniger als ungefähr 5%, z.B. weniger als ungefähr 1%. Anschaulich ist die Schutzschicht dann im Wesentlichen frei von Poren oder Hohlräumen.
  • Die Schutzschicht kann die chemische Beständigkeit der Folie gegenüber einer alkalischen Umgebung (z.B. der Lauge) erhöhen, beispielsweise für den Einsatz in einer Fertigung einer Elektrode für eine Energiespeicherzelle, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie.
  • Allgemeiner gesprochen, kann anstatt der Folie auch ein anderes Substrat beschichtet sein oder werden, z.B. ein flächenförmiges und/oder bandförmiges Substrat. Damit ein passiviertes Substrat 512 (vgl. 5) bereitgestellt, auf welchem die Aktivmaterialschicht (z.B. das Kathode-Aktivmaterial aufweisend) aus einer Aufschlämmung auf Basis eines protischen Lösungsmittels, z.B. Wasser, homogen mit guter Benetzung und ohne Korrosion des Substrates aufgebracht werden kann.
  • Beispielsweise wird eine Schutzschicht auf einem metallischen Stromkollektor-Substrat bereitgestellt. Damit kann ermöglicht werden, dass das beschichtete Stromkollektor-Substrat die Anforderungen (z.B. an Korrosionsbeständigkeit und/oder homogene Benetzung) an eine Elektrodenherstellung mit Schlickern auf Basis von Wasser als Lösungsmittel erfüllt. Dieses Stromkollektor-Substrat kann beispielsweise mittels der Schutzschicht, z.B. einer Barriereschicht, und/oder mit einer hydrophilen Schutzschicht, beschichtet sein oder werden, so dass es die Anforderungen erfüllt. Anstatt des Stromkollektors kann auch ein anderes Substrat beschichtet sein oder werden, das Aluminium aufweist, z.B. ein flächenförmiges Substrat.
  • Die Schutzschicht kann beispielsweise (z.B. unabhängig vom gewählten Substrattyp oder Substratmaterial) eine Kohlenstoffschicht (auch als C-Schicht bezeichnet) aufweisen oder daraus gebildet sein. Die Kohlenstoffschicht kann beispielsweise mittels PVD gebildet sein oder werden. Die Kohlenstoffschicht kann beispielsweise eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 2 nm (Nanometer)bis ungefähr 2 µm (Mikrometer) aufweisen, z.B. 2 µm oder weniger, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 1 µm, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10 nm bis ungefähr 200 nm.
  • Die Kohlenstoffschicht kann beispielsweise Kohlenstoff (C) aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispielsweise kann die Kohlenstoffschicht zu mehr als 50 at-% aus dem Kohlenstoff bestehen, z.B. zu mehr als 70 at-% aus dem Kohlenstoff, oder z.B. zu mehr als 90 at-% aus dem Kohlenstoff. Der Kohlenstoff kann in einer Kohlenstoffkonfiguration vorliegen, z.B. amorpher Kohlenstoff (z.B. aus der Gruppe der diamantartigen Kohlenstoffe - DLC), Graphit, nanokristallinem Graphit, tetraedrischem Kohlenstoff und/oder tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C).
  • Die Schutzschicht (z.B. die Kohlenstoffschicht) kann optional hydrophil eingerichtet sein oder werden.
  • Als hydrophil kann verstanden werden, als dass die Oberfläche gegenüber Wasser einen Kontaktwinkel nahe 0° aufweist, z.B. weniger als 10°. Je größer der Grad der Hydrophilie ist, desto kleiner kann der Kontaktwinkel sein.
  • Die Hydrophilie (welche den Kontaktwinkel eines Wassertropfens definiert) der Schutzschicht, z.B. der Kohlenstoffschicht, kann beispielsweise mittels einer Nachbehandlung der Schutzschicht gebildet und/oder verbessert werden. Die Nachbehandlung kann beispielsweise aufweisen, die Schutzschicht (z.B. Kohlenstoffschicht) zu bestrahlen, z.B. mittels Licht, z.B. mittels gepulsten Lichts, z.B. mittels Blitzlampen (auch als Flash Lamp Annealing bezeichnet).
  • In analoger Weise kann auch eine andere Schutzschicht 304 (z.B. eines anderen Materials) hydrophil eingerichtet sein oder werden. Lässt sich die Schutzschicht nur schwer hydrophil einrichten oder ist diese hydrophob, z.B. wenn diese eine Metalloberfläche aufweist, kann diese alternativ mit einer hydrophilen Kohlenstoffschicht beschichtet sein oder werden (auch als Vergrößern des Grades der Hydrophilie bezeichnet). Beispielsweise kann eine Graphenschicht hydrophil sein und die oberste Lage der Schutzschicht bilden. Alternativ kann zum Vergrößern des Grades der Hydrophilie auch eine andere Oberflächenbehandlung und oder Beschichtung erfolgen. Das Vergrößern des Grades der Hydrophilie kann beispielsweise mittels einer Koronarbehandlung erfolgen. Das Vergrößern des Grades der Hydrophilie kann eine verbesserte Benetzung, also eine verbesserte Elektrodensynthese, erlauben.
  • Optional kann zwischen dem Substrat und der Kohlenstoffschicht eine Zwischenschicht (auch als Pufferschicht bezeichnet) angeordnet sein oder werden. Die Zwischenschicht kann Teil der Schutzschicht sein und eingerichtet sein, die intrinsische laterale Verspannung der (z.B. amorphen) Kohlenstoffschicht zum Substrat hin abzubauen. Die Zwischenschicht kann beispielsweise ein dem Kohlenstoff affines Material aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. ein Metall, z.B. Cu, Ti, Ni, Al, TiN, oder ähnliches. Das Metall der Zwischenschicht kann eine elektrische Leitfähigkeit größer als 104 S/m aufweisen, z.B. größer als 105 S/m.
  • Anschaulich kann die Zwischenschicht mit vorzugsweise hoher elektrischer Leitfähigkeit eingerichtet sein, Wechselwirkungen zwischen dem Substrat 302 und der Kohlenstoffschicht 304, insbesondere die Diffusion ineinander und/oder die Bildung von Metallcarbiden, zu hemmen.
  • Im Gegensatz zu lösungsmittelbasierten Prozessen kann eine mittels PVD herstellte Schutzschicht (z.B. Kohlenstoffschicht) wesentlich dünner sein, so dass sich zum einen die Gewichtszunahme des Stromkollektors mindert und/oder auch der Kontaktwiderstand geringer sein kann. Eine lösungsmittelbasierte Schutzschicht wird durch Abscheidung aus einer Dispersion hergestellt, was keine kompakte, dichte Schicht (insbesondere bei geringen Dicken) liefert. Ferner wird ein Lösungsmittel benötigt, welches giftig und/oder kostenintensiv sein kann.
  • 1B veranschaulicht ein Verfahren 100b gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Ablaufdiagram, welches beispielsweise beschichtete Feststoffpartikel 516 bereitstellt (vgl. 6).
  • Das Verfahren kann eingerichtet sein wie das Verfahren 100a mit dem Unterschied, dass alternativ oder zusätzlich zu der Folie das Kathode-Aktivmaterial beschichtet wird.
  • Das Kathode-Aktivmaterial kann in granularer Form (d.h. als Granulat) vorliegen. Mit anderen Worten kann das Kathode-Aktivmaterial eine Vielzahl von Feststoffpartikeln (das Granulat) aufweisen, welche beschichtet werden.
  • Das Beschichten der Feststoffpartikel kann aufweisen, die Feststoffpartikel in ein Vakuum zu emittieren und in dem Vakuum gasförmiges Beschichtungsmaterial bereitzustellen, aus welchem die Schutzschicht auf den Feststoffpartikeln gebildet wird.
  • Diese vakuumbasierte Beschichtung bzw. Beschichtung aus der Gasphase des Kathode-Aktivmaterials (z.B. der Feststoffpartikel) kann eine sehr dünne Schutzschicht ermöglichen, welche fluiddicht und/oder ionendicht sein kann. Diese kann im Unterschied zu anderen Beschichtungstypen somit einen geringeren Gewichtsanteil in der Kathode einnehmen, eine höhere Stromleitfähigkeit bereitstellen und/oder kostengünstiger herzustellen sein, was die Kathode somit wirtschaftlicher macht.
  • Die Schutzschicht kann beispielsweise ein Schutzmaterial aufweisen oder daraus gebildet sein. Das Schutzmaterial kann beispielsweise Kohlenstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. in einer Kohlenstoffmodifikation.
  • 2 veranschaulicht einen Energiespeicher, der eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 200 (auch als Element der Energiespeicherzelle bezeichnet) aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht.
  • Der Energiespeicher kann eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 200 aufweisen, wobei die oder jede Energiespeicherzelle 200 beispielsweise periodisch (z.B. in gestapelter Form oder in gewickelter Form) in dem Energiespeicher angeordnet sein oder werden können. Beispielsweise kann der Energiespeicher ein Rund-Energiespeicher, ein Pouch-Energiespeicher, oder ein prismatischer Energiespeicher sein.
  • Optional kann die oder jede Energiespeicherzelle 200 einen Separator 1040 aufweisen, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Beispielsweise kann die oder jede Energiespeicherzelle 200 einen flüssigen Elektrolyt 1050 und den Separator aufweisen zur elektrischen Trennung der Elektroden. Alternativ kann die oder jede Energiespeicherzelle 200 einen festen Elektrolyt 1050 aufweisen, der zu elektrischen Trennen der Elektroden eingerichtet ist, wobei dann der Separator weggelassen werden kann oder bei einigen Typen fester Elektrolyt 1050 notwendig sein kann.
  • Der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Anode 1012 aufweisen, welche ein erstes chemisches Potential (auch als Anodenpotential bezeichnet) aufweist (z.B. erstes elektrochemisches Potential).
  • Der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, kann ferner eine Kathode 1022 aufweisen, welche ein zweites chemisches Potential (auch als Kathodenpotential bezeichnet) aufweist, z.B. zweites elektrochemisches Potential. Die Kathode 1022 kann eine Folie 302 (z.B. eine elektrisch leitende Folie 302) aufweisen, welche das Aluminium aufweist oder daraus besteht.
  • Das hierin beschriebene chemische Potential kann ein elektrochemisches Potential sein.
  • Ferner kann die Kathode 1022 ein Schutzmaterial 304 aufweisen, mit dem die Folie 302 beschichtet ist (auch als Schutzschicht 304 bezeichnet), wobei das Schutzmaterial ein von Aluminium verschiedenes Metall und/oder Kohlenstoff aufweist. Die Schutzschicht 304 kann beispielsweise mit dem Aluminium der Folie 302 in körperlichen Kontakt sein.
  • Die Beschichtung 304 aus dem Schutzmaterial 304 (d.h. die Schutzschicht 304) kann beispielsweise fluiddicht eingerichtet sein. Die Beschichtung 304 aus dem Schutzmaterial 304 (d.h. die Schutzschicht 304) kann beispielsweise inert gegenüber einer alkalischen Umgebung eingerichtet sein, die beispielsweise einen pH-Wert von ungefähr 8,5 oder mehr aufweist, z.B. ungefähr 9 oder mehr, z.B. ungefähr 9,5 oder mehr, z.B. ungefähr 10 oder mehr. Inert kann verstanden werden, als das das Schutzmaterial 304 chemisch stabil ist gegenüber der alkalischen Umgebung.
  • Ferner kann die Kathode 1022 eine Kathoden-Aktivmaterialschicht aufweisen, welche neben (z.B. auf) der Schutzschicht 304 angeordnet ist, z.B. in körperlichem Kontakt mit dieser. Die Anode-Aktivmaterialschicht kann das Kathode-Aktivmaterial 1022a aufweisen.
  • Die Schutzschicht 304 kann eine elektrisch leitfähige Schicht sein, z.B. in Form einer elektrischen Kontaktschicht, welche zwischen der Folie 302 und der Kathoden-Aktivmaterialschicht 1022a angeordnet ist.
  • Zwischen der Anode 1012 und der Kathode 1022 kann sich eine elektrische Spannung ausbilden, z.B. wenn der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, geladen ist oder wird, welche ungefähr der Differenz zwischen dem ersten chemischen Potential und dem zweiten chemischen Potential entspricht. Ein solcher Energiespeicher kann eine oder mehr als eine solche Energiespeicherzelle 200 (z.B. parallel zueinander oder in Reihe zueinander verschaltet) aufweisen.
  • Eine elektrische Spannung kann sich zwischen Anode und Kathode ausbilden (sowohl beim Laden als auch beim Entladen, als auch im stromlosen Zustand), wenn die Elektroden über ein Ionen-leitendes Medium 1040 (z.B. Elektrolyt 1050, fest oder flüssig) verbunden sind.
  • Die Folie 302 kann anschaulich als Stromsammler oder Stromleiter fungieren zum Bereitstellen oder Abgreifen der elektrischen Ladungen, welche bei den elektrochemischen Reduktions- bzw. Oxidationsreaktionen an der Anode 1012 oder der Kathode 1022 aufgenommen oder freigesetzt werden, z.B. wenn der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, geladen oder entladen wird. Die Lithium-Ionen, welche sich zwischen der Anode 1012 und der Kathode 1022 im (flüssigen oder festen) Elektrolyten 1050 bewegen (Ionenaustausch), können eine Umwandlung von gespeicherter chemischer Energie (z.B. wenn der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, geladen ist) in elektrische Energie bewirken, wobei die elektrische Energie eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden 1012, 1022 und/oder zwischen den damit gekoppelten Kontaktanschlüssen 1012k, 1022k (vgl. 3) bereitstellt.
  • Die elektrische Energie kann das Produkt aus Strom, Spannung und Zeit sein (d.h. E = U*I*t). Die Spannung U ergibt sich aus den elektrochemischen Potentialen von Anode/Kathode und ist über Ladezustand der Zelle veränderlich. Der Strom I kann bereitgestellt (Entladen) oder verbraucht (Laden) werden, und ist mit dem räumlichen Fluss von Lithium-Ionen gekoppelt (Li+ + e- ←→ Li). Die Zeit t entspricht der Dauer, mit der Strom bereitgestellt oder verbraucht wird, d.h. wie lange entladen bzw. geladen wird, z.B. eine stromverbrauchende Last anliegt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200, eine mittlere elektrische Spannung von mehr als ungefähr 3,5 Volt (V) bereitstellen, z.B. von mehr als ungefähr 3,7 V, z.B. von mehr als ungefähr 4 V. Die mittlere elektrische Spannung kann dem Mittelwert zwischen der Spannung im entladenen Zustand und der der Spannung im geladenen Zustand der Energiespeicherzelle 200 entsprechen, d.h. eine Ladezyklus-gemittelte Spannung sein.
  • Die Spannung der oder jeder Energiespeicherzelle 200 kann sich abhängig vom Ladezustand ändern. Ist die Energiespeicherzelle 200 entladen, kann die Spannung gering sein, z.B. bei einer LIB-Energiespeicherzelle 200 ungefähr 3,0 V oder in einem Bereich von ungefähr 2,5 V bis ungefähr 3,5 V). Ist die Zelle geladen, kann die Spannung anschaulich hoch sein, z.B. bei eine LIB-Energiespeicherzelle 200 ungefähr 4,3 V, z.B. in einem Bereich von ungefähr 3,7 V bis ungefähr 5,0 V.
  • Im Allgemeinen kann die oder jede Energiespeicherzelle 200 (z.B. eine Li/S Energiespeicherzelle 200) im entladenen Zustand eine Zellspannung von ungefähr 1,8 V oder mehr und im geladenen Zustand von ungefähr 2,6 V bereitstellen. Eine Lithium-Luft-Energiespeicherzelle 200 kann im entladenen Zustand eine Spannung von ungefähr 2,0 V und im geladenen Zustand bis zu ungefähr 4,8 V bereitstellen.
  • Optional kann die Folie 302 beidseitig mit der Schutzschicht 304 beschichtet sein oder werden.
  • Das Kathode-Aktivmaterial 1022a kann beispielsweise Lithium-Eisen-Phosphat (LFPO) aufweisen oder daraus gebildet sein (z.B. in einem Lithium-Eisen-Phosphat-Energiespeicher), Lithium-Mangan-Oxid (LMO) aufweisen oder daraus gebildet sein (z.B. in einem Lithium-Mangan-Oxid-Energiespeicher) oder Lithium-Manganoxid (LMO), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide (NCA), Lithium-Nickel Mangan-Oxid (LNMO), Lithium-Cobalt-Oxide (LCO), Lithium-Vanadium-Oxid (LVO), Lithium-Mangan-Phosphat (LMP), Lithium-Nickel-Phosphat (LNP), Lithium-Cobalt-Phosphat (LCP), Lithium-Vanadium-Phosphat (LVP), Lithium-Sulfid oder Lithium-Oxid aufweisen oder daraus gebildet sein .
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kathode-Aktivmaterial 1022a zusammen mit optionalen weiteren Bestandteilen der Kathode-Aktivmaterialschicht (beispielsweise Binder, und/oder Leitadditiv) (z.B. mittels einer Flüssigphase, d.h. in einem Lösungsmittel angeordnet) mittels einer Bandbeschichtungsanlage auf die Folie 302 mit einer Schutzschicht 304 aufgebracht sein oder werden, z.B. mittels einer Flüssigphasendeposition, beispielsweise mittels einer Sprühbeschichtung (auch bezeichnet als Spray Coating), einer Vorhangbeschichtung (auch bezeichnet als Curtain Coating), eines Rakelverfahrens (auch als Comma-Bar-Coating bezeichnet) und/oder einer Breitschlitzdüsen-Beschichtung (auch bezeichnet als Slot-Die-Coating).
  • Optional kann in einem nachfolgenden Trocknungsprozess (in dem die Folie 302 mit der Schutzschicht 304 beispielsweise erwärmt wird) verbleibendes Lösungsmittel aus der Kathode-Aktivmaterialschicht herausgebracht werden. Dies kann eine Verfestigung der Flüssigphase, z.B. der Kathode-Aktivmaterialschicht 1022a, zur Folge haben.
  • Das Bilden des Energiespeichers, z.B. der oder jeder Energiespeicherzelle 200, kann aufweisen: Aufbringen des Kathode-Aktivmaterials 1022a (z.B. mittels der Kathoden-Aktivmaterialschicht) auf die Folie 302, die mit der Schutzschicht 304 beschichtet ist, zum Bilden einer Kathode 1022, welche das Kathodenpotential aufweist; Zusammenfügen der Anode 1012 mit der Kathode 1022 (optional getrennt durch einen festen Elektrolyten 1050 und/oder einen Separator 1040), wobei die Anode 1022 das Anodenpotential aufweist; und Verkapseln 1030 der Anode 1012 und der Kathode 1022. Mit anderen Worten kann der Energiespeicher, z.B. dessen oder jede Energiespeicherzelle 200, eine Verkapselung 1030 aufweisen, welche die Anode 1012 und die Kathode 1022 umgibt. Optional kann ein flüssiger Elektrolyt 1050 vor deren Verkapselung in die Energiespeicherzelle eingebracht werden.
  • Optional kann das Bilden des Energiespeichers, z.B. der oder jeder Energiespeicherzelle 200, ferner aufweisen: Bilden eines Kontaktanschlusses zum Kontaktieren der Folie 302 der Kathode 1022. Beispielsweise kann das Bilden des Energiespeichers, z.B. der oder jeder Energiespeicherzelle 200, ferner aufweisen: Bilden eines zusätzlichen Kontaktanschlusses zum Kontaktieren der Anode 1012.
  • Der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 200 des Energiespeichers, kann beispielsweise ein Hochenergiespeicher sein. Der Hochenergiespeicher kann pro Zelle eine elektrische Spannung von mehr als 4 Volt bereitstellen. Die Zellspannung kann variabel sein und von dem Zellsystem abhängen. Beispielsweise kann eine Li/S-Energiespeicherzelle 200 eine hohe spezifische Energie bei einer geringen mittleren Zellspannung bereitstellen. Das Aktivmaterial nimmt mehr Lithium auf, was zu einer höheren Kapazität führt. Die Energie kann dem Produkt aus Spannung und Kapazität entsprechen.
  • Eine Hochenergiezelle kann anschaulich eine hohe spezifische Energie bereitstellen, z.B. ungefähr 100 Wh/kg oder mehr, z.B. 150 Wh/kg oder mehr, z.B. 200 Wh/kg. Alternativ oder zusätzlich kann eine Hochenergiezelle eine hohe hohen Energiedichte bereitstellen, z.B. 300 Wh/l oder mehr, z.B. 400 Wh/l oder mehr, z.B. 500 Wh/l oder mehr.
  • Beispielsweise kann die Folie 302 eine Aluminiumfolie sein mit einer Dicke in einem Bereich von ungefähr 9 Mikrometer (µm) bis ungefähr 20 µm.
  • 3 veranschaulicht einen Energiespeicher, z.B. der eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 300 aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Anode 1012 eine erste Folie 402 (auch als Anodenfolie 402 bezeichnet) und die Kathode 1022 eine zweite Folie 302 (auch als Kathodenfolie 302 bezeichnet) aufweisen.
  • Ferner kann die Anode 1012 eine Anode-Aktivmaterialschicht 1012s aufweisen, welches auf der Anodenfolie 402 angeordnet wird oder ist. Die Anode-Aktivmaterialschicht 1012s kann das erste chemische Potential bereitstellen.
  • Die Anode-Aktivmaterialschicht 1012s kann sich von der Kathode-Aktivmaterialschicht 1022s unterscheiden, z.B. in dem elektrochemischen Potenzial und oder der chemischen Zusammensetzung.
  • Die Anode-Aktivmaterialschicht 1012s, z.B. deren Anode-Aktivmaterial 1012a, kann beispielsweise Graphit (oder Kohlenstoff in einer anderen Kohlenstoff-Konfiguration) aufweisen oder daraus gebildet sein, nanokristallines und/oder amorphes Silizium aufweisen oder daraus gebildet sein, oder Lithiummetall aufweisen oder daraus gebildet sein.
  • Optional kann die Anodenfolie 402 Aluminium oder Kupfer aufweisen oder daraus gebildet sein.
  • Optional kann die Anodenfolie 402 eine Beschichtung 404 (auch als Anodenfolien-Beschichtung bezeichnet) aufweisen, beispielsweise aus demselben Material, wie das Schutzmaterial 304 der Kathodenfolie 302.
  • Ferner kann der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, einen ersten Kontaktanschluss 1012k aufweisen, welcher die Anode 1012 elektrisch und/oder körperlich kontaktiert und/oder zumindest mit dieser gekoppelt ist, und z.B. mit der Anodenfolie 402 elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Kontaktanschluss 1012k kann eine freiliegende Oberfläche aufweisen.
  • Ferner kann der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, einen zweiten Kontaktanschlusses 1022k aufweisen, welcher die Kathode 1022 elektrisch und/oder körperlich kontaktiert und/oder mit dieser gekoppelt ist, und z.B. mit der Kathodenfolie 302 elektrisch leitend verbunden ist. Der zweite Kontaktanschluss 1022k kann eine freiliegende Oberfläche aufweisen.
  • Zwischen dem ersten Kontaktanschluss 1012k und dem zweiten Kontaktanschluss 1022k kann sich die elektrische Spannung (auch als Zellspannung bezeichnet) ausbilden, z.B. wenn der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, geladen ist, welche ungefähr der Differenz zwischen dem ersten chemischen Potential und dem zweiten chemischen Potential entspricht. Die Zellspannung kann sich nach dem Einbringen des Elektrolyten in den Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, ausbilden.
  • Optional kann der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, einen Separator 1040 aufweisen. Der Separator 1040 kann die Anode 1012 und die Kathode 1022, mit anderen Worten die negative und positive Elektrode, räumlich und elektrisch voneinander trennen. Der Separator 1040 kann jedoch für Lithium-Ionen, welche sich zwischen der Anode 1012 und der Kathode 1022 durch den flüssigen oder festen Elektrolyten 1050 bewegen, durchlässig sein. Die Lithium-Ionen, welche sich zwischen der Anode 1012 und der Kathode 1022 bewegen, können eine Umwandlung von gespeicherter chemischer Energie (z.B. wenn der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 300, geladen ist) in elektrische Energie bewirken, wobei die elektrische Energie das Produkt aus elektrischem Strom, elektrischer Spannung und Zeit sein kann (d.h. E = U*I*t), wie vorstehend beschrieben ist. Die elektrische Spannung kann an den Kontaktanschlüssen 1012k, 1022k bereitstellt sein oder werden. Der Separator 1040 kann einen mikroporösen Kunststoff (beispielsweise Polypropylen oder Polyethylen, oder Kombinationen davon) aufweisen oder daraus gebildet sein und/oder der Separator kann ein Vlies, beispielsweise Glasfasern aufweisen oder daraus gebildet sein. Optional kann der Separator eingebettete keramische Partikel oder eine keramische Beschichtung aufweisen. Optional kann der Separator 1040 mehrere in ihrer chemischen Zusammensetzung voneinander verschiedene Schichten aufweisen, z.B. drei Schichten (auch als Trilayer-Separator bezeichnet), wie beispielsweise Folgende Schichtfolge: Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen.
  • 4 veranschaulicht einen Energiespeicher, z.B. der eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 400 aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht.
  • Der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 400, kann aufweisen: eine aluminiumhaltige Kathodenfolie 302 (z.B. eine Aluminiumfolie 302), eine (z.B. fluiddichte und/oder ionendichte) Schutzschicht 304, z.B. in körperlichem Kontakt mit der Kathodenfolie 302, eine poröse Kathoden-Aktivmaterialschicht 1022s, z.B. in körperlichem Kontakt mit der Schutzschicht 304.
  • Der Energiespeicher, z.B. die oder jede Energiespeicherzelle 400, kann aufweisen: einen ionenleitfähigen Separator 1040, einen optionalen (z.B. flüssigen oder festen) Elektrolyten 1050, eine poröse Anoden-Aktivmaterialschicht 1012a, und eine Anodenfolie 402.
  • Die Kathoden-Aktivmaterialschicht 1022 kann aufweisen oder daraus gebildet sein: ein granulares Kathode-Aktivmaterial 1012a, optional eine oder mehr als eine Bindermaterial 1024, und/oder optional ein oder mehr als ein Leitadditivmaterial 1025. Die Anoden-Aktivmaterialschicht 1012s kann aufweisen oder daraus gebildet sein: ein granulares Anode-Aktivmaterial 1013, optional ein oder mehr als ein Bindermaterial 1014 und/oder optional ein oder mehr als ein Leitadditivmaterial 1015.
  • Anschaulich kann ein gegenüber einer alkalischen Umgebung chemisch instabiles Material (z.B. Aluminium) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit als Kathodenstromkollektor verwendet werden und dieses durch eine Schutzschicht (beispielsweise aus Cu, Ti, Ni, TiN, C oder dergleichen) geschützt sein oder werden. Das Material der Schutzschicht (auch als Schutzmaterial bezeichnet) kann dabei chemisch stabil gegenüber der alkalischen Umgebung sein, beispielsweise der Flüssigphase, aus der Kathode-Aktivmaterialschicht 1022s gebildet wird. Die Schutzschicht 304 kann eine dichte, kompakte Schicht, optional mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, sein.
  • 5 veranschaulicht einen Energiespeicher, z.B. der eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 500 aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer detaillierten schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht, z.B. in einem Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die veranschaulichte Konfiguration kann beispielsweise die Kathode detailliert zeigen, z.B. bei einem Zustand der Kathode direkt nach Aufbringen der Aufschlämmung 514 auf den Stromkollektor 302 (z.B. die Kathodenfolie).
  • Mittels des Verfahrens kann die Herstellung von einer LIB-Elektrode, z.B. einer LIB-Kathode 1022, aus einer Aufschlämmung 514 auf Basis von Wasser als Lösungsmittel vereinfacht werden.
  • Das Bilden einer Kathode 1022 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen aufweisen: Bereitstellen einer Folie 302, die mit einem aus der Gasphase gebildeten Schutzmaterial 304 beschichtet ist (auch als beschichtete Folie 512 oder passivierte Folie 512 bezeichnet); Beschichten der mit dem Schutzmaterial beschichteten Folie 512 mit einer alkalischen Aufschlämmung 514, die ein Lösungsmittel 506 und ein Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 aufweist.
  • Das Bereitstellen der passivierten Folie 512 kann beispielsweise gemäß dem Verfahren 100a erfolgen. Im Folgenden wird zum einfacheren Verständnis auf die passivierte Folie 512 Bezug genommen, welche allerdings auch ein anderes passiviertes Substrat 512 sein kann, z.B. ein flächenförmiges, bandförmiges und/oder plattenförmiges Substrat. Das aus der Gasphase gebildete Schutzmaterial 304 ist beispielsweise dichter, kompakter und bildet eine dünnere Schutzschicht 304 als aus der Flüssigphase abgeschiedenes Schutzmaterial 304.
  • Allgemeiner gesprochen, kann das Beschichten in einer alkalischen Umgebung erfolgen, z.B. mittels eines alkalischen Gemisches, z.B. eines alkalischen Flüssigkeit-Feststoffpartikel-Gemisches (z.B. einer Aufschlämmung, einer Suspension oder eines Kolloids bezeichnet). Im Folgenden wird zum einfacheren Verständnis auf die Aufschlämmung Bezug genommen, welche allerdings auch ein anderes, z.B. feineres oder gröberes, viskoses Gemisch 514 (auch als Flüssigphase 514 bezeichnet) sein kann.
  • Die Aufschlämmung 514 kann beispielsweise eine Dispersion (z.B. Suspension) aufweisen oder daraus gebildet sein, d.h. eine feine Verteilung des Nutzschichtmaterials 1022a, 1024, 1025 in fester Form (auch als Feststoffpartikel bezeichnet), die in dem Lösungsmittel 506 schweben. Die Aufschlämmung kann als viskoses Fluidgemisch verstanden werden, das zumindest aus einem pulverisierten Feststoff (auch als Feststoffpartikel bezeichnet) und einer Flüssigkeit (das Lösungsmittel) besteht. Die Aufschlämmung kann fließfähig sein, beispielsweise unter der Schwerkraft.
  • Das Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 kann im Allgemeinen ein lithiumhaltiges Material aufweisend oder daraus gebildet sein, welches aus der Aufschlämmung 514 auf die passivierte Folie 512 aufgebracht werden soll. Das Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 kann mit anderen Worten Lithium aufweisen, z.B. eine Lithiumverbindung. Das Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 kann beispielsweise einen oder mehr als einen Elektrodenbestandteil aufweisen, z.B. einen Binder 1024 (z.B. einen organischen Binder), ein Leitadditiv 1025 (z.B. Metallpartikel), und/oder das Kathode-Aktivmaterial 1022a. Allgemeiner gesprochen kann die Aufschlämmung 514 einen oder mehr als einen Elektrodenbestandteil aufweisen, welcher Lithium aufweisen kann.
  • Ausgangspunkt zum Bilden der Aufschlämmung 514 kann (z.B. genau) das Lösungsmittel 506 sein, z.B. Wasser oder ein anderes polares und/oder protisches Lösungsmittel. Mit anderen Worten kann das Lösungsmittel 506 polar und/oder protisch sein. Beispielsweise kann die Aufschlämmung 514 nur Wasser als Lösungsmittel 506 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Lösungsmittel 506 ein Alkohol, z.B. Ethanol und/oder Isopropanol, aufweisen oder daraus gebildet sein.
  • In das Lösungsmittel kann mittels verschiedener Mischprozesse der eine oder mehr als ein Elektrodenbestandteil (z.B. das Aktivmaterial, der Binder und/oder ein oder mehr als ein Leitadditiv, usw.) oder ein anderes Nutzschichtmaterial dispergiert sein oder werden (auch als Aufschlämmen bezeichnet).
  • Optional können ein oder mehr als ein Bestandteil des Nutzschichtmaterials 1022a, 1024, 1025 (z.B. Lithium aus dem Kathode-Aktivmaterial) in das Lösungsmittel 506 übergegangen sein. Dementsprechend kann die Aufschlämmung 514 ein Lösungsmittel aufweisen, in welchem beispielsweise Lithium vorhanden ist. Sobald Lithium aus dem Kathode-Aktivmaterial extrahiert wird, kann es beispielsweise mit Wasser reagieren und OH- und H2 bilden, z.B. gemäß dem folgenden Ausdruck: 2Li + 2H2O → 2Li+ + 20H-+H2.
  • Als Folge dessen kann die Aufschlämmung 514 alkalisch sein, z.B. mit einem pH-Wert von mehr als 8,5 (oder 9). Dieser Prozess kann zeitabhängig sein und zu einen höheren pH-Wert führen, je länger das Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 in dem Lösungsmittel 506 ist.
  • Die Aufschlämmung 514 kann auf die passivierte Folie 512 (z.B. den passivierten Stromkollektor 512) aufgebracht sein oder werden, z.B. mittels einer Schlitzdüse, mittels eines Rakels oder mittels einer Rasterwalze, so dass auf der passivierten Folie 512 eine Aufschlämmung-Schicht 514 gebildet wird. Anschließend kann das Lösungsmittel mittels eines Trocknungsprozesses (z.B. mittels eines Trocknungsprozesses, der beispielsweise eine oder mehr als eine Trockenstrecke aufweist) ausgetragen werden (auch als Verfestigen bezeichnet).
  • Das Beschichten kann beispielsweise aufweisen, die alkalische Aufschlämmung 514 in körperlichen Kontakt mit dem Schutzmaterial 304 zu bringen, z.B. dieses mit der Aufschlämmung 514 zu benetzen, z.B. zu mehr als 80% zu bedecken. Mittels des Beschichtens kann eine viskose Schicht 514, welche die alkalische Aufschlämmung 514 aufweist oder daraus gebildet ist, auf der Folie 302 gebildet werden. Die viskose Schicht 514 kann somit in körperlichen Kontakt mit dem Schutzmaterial 304 gebracht sein oder werden.
  • Nach dem Beschichten der passivierten Folie 512 kann ein Verfestigen der viskosen Schicht 514 (z.B. der alkalischen Aufschlämmung 514) erfolgen. Das Verfestigen kann aufweisen, dass Lösungsmittel 506 aus der viskosen Schicht 514 herauszubringen. Das Herausbringen kann aufweisen, eine Konzentration des Lösungsmittels 506 in der viskosen Schicht 514 zu verringern. Als Folge dessen kann eine Festigkeit (z.B. eine mechanische Härte) und/oder eine Viskosität der viskosen Schicht 514 zunehmen, und z.B. eine feste Schicht 514 gebildet werden.
  • Das Herausbringen des Lösungsmittels 506 kann beispielsweise zur Folge haben, dass das Lösungsmittel 506 zwischen den Feststoffpartikeln herausgebracht wird, so dass Hohlräume (auch als Poren bezeichnet) zurückbleiben. Mit anderen Worten kann das Verfestigen der Schicht 514 aufweisen, eine Porosität der Schicht 514 zu vergrößern. Somit kann mittels des Verfestigens der Schicht 514 eine poröse Schicht 514 (auch als Aktivmaterialschicht bezeichnet) gebildet sein oder werden.
  • Mittels des optionalen Binders 1024 kann dabei ein Verkleben der Feststoffpartikel (z.B. des Kathode-Aktivmaterials 1022a) erfolgen. Das optionale Leitadditiv 1025 kann sich zwischen die Feststoffpartikel anlagern, z.B. in den gebildeten Poren.
  • Der Trocknungsprozess kann beispielsweise in trockener Luft erfolgen und/oder unter der Zufuhr von Wärmeenergie (z.B. über Wärmestrahlung).
  • Die Folie 302 (z.B. das Substrat 302) kann eine metallische Folie aufweisen oder daraus gebildet sein, z.B. Aluminium aufweisend oder daraus gebildet. Die Folie 302 kann beispielsweise als Stromkollektor der Kathode verwendet werden, oder alternativ auch als Stromkollektor der Anode. Der Stromkollektor der Anode kann beispielsweise Kupfer aufweisen oder daraus gebildet sein. Alternativ zu der metallischen Folie kann die Folie einen bandförmigen Träger aufweisen, der aluminiumbeschichtet sein oder werden kann. Beispielsweise kann die Folie 302 eine Aluminiumbeschichtung auf einem nicht-metallischen Band aufweisen, z.B. eine aluminiumbeschichte Polymerfolie und/oder Kohlenstofffolie.
  • Optional kann das Verfestigen der Schicht 514 (z.B. das Austreiben von Wasser) aufweisen, den pH-Wert der Schicht 514 zu monitorieren.
  • Die Aufschlämmung 514 kann optional N-Methyl-2-pyrrolidon aufweisen und Wasser. Dies ermöglicht es, bei einer herkömmlichen Fertigung auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon auf zumindest den hohen Aufwand einer wasserarmen Fertigungsumgebung verzichten zu können. Anschaulich kann in Kauf genommen werden, dass das die auf Basis von N-Methyl-2-pyrrolidon bereitgestellte Aufschlämmung 514 Wasser aufnimmt, da dieses aufgrund des Schutzmaterials unschädlich bleibt.
  • Alternativ kann die Aufschlämmung 514 frei sein von N-Methyl-2-pyrrolidon. Dies ermöglicht ferner eine Fertigungsumgebung bereitzustellen, die weniger von der Aufschlämmung 514 ausgehende Toxizität und/oder Reproduktionstoxizität aufweist.
  • 6 veranschaulicht einen Energiespeicher (z.B. Ähnlich zu 5), z.B. der eine oder mehr als eine Energiespeicherzelle 600 aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder einer schematischen Querschnittsansicht, z.B. bei dessen Herstellung.
  • Das Verfahren kann eingerichtet sein, wie zu der Energiespeicherzelle 500 beschrieben ist, mit dem Unterschied, dass alternativ oder zusätzlich zu der Schutzschicht 304 auf der Folie 302 eine Schutzschicht 304 auf den Feststoffpartikeln bereitstellt wird. Das Schutzmaterial 304 kann beispielsweise eine Ummantelung der Feststoffpartikel (auch als passivierte Feststoffpartikel 516 bezeichnet) bereitstellen.
  • Das Bilden einer Kathode 1022 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen aufweisen: Bereitstellen einer Folie 302; Beschichten der Folie mit einer alkalischen Aufschlämmung 514, die ein Lösungsmittel 506 und eine Vielzahl von Feststoffpartikeln aufweist, die ein Nutzschichtmaterial 1022a, 1024, 1025 aufweisen. Die Feststoffpartikeln können mit einem aus der Gasphase gebildeten Schutzmaterial 304 beschichtet sein oder werden (auch als passivierte Feststoffpartikel 516 bezeichnet).
  • Beispielsweise kann die Beschichtung des Aktivmaterials (z.B. des Kathode-Aktivmaterials) mit dem Schutzmaterial 304 eine Auslaugung, beispielsweise von Lithium, aus dem Lithiumhaltigen Aktivmaterial hemmen. Infolgedessen kann die pH-Wert-Erhöhung der Aufschlämmung 514, die zur Korrosion der Aluminiumfolie beiträgt, verringert sein oder werden. In geringerem Maße kann diese dennoch durch andere Bestandteile der Aufschlämmung 514 (z.B. des Leitadditivs 1025 und/oder des Binders 1024) hervorgerufen werden.
  • Die Schutzschicht 304 der passivierten Feststoffpartikel 516 kann beispielsweise eingerichtet sein, die Auslaugung von Lithium aus dem Kathode-Aktivmaterial 1022a zu hemmen.
  • Optional kann beides, die Folie 302 und die Feststoffpartikel, mit dem Schutzmaterial 304 beschichtet sein oder werden. Mit anderen Worten können diese mittels des Schutzmaterials 304 passiviert sein oder werden. Alternativ kann das Schutzmaterial 304 der passivierten Folie 512 (auch als erstes Schutzmaterial 304 bezeichnet) von dem Schutzmaterial 304 der passivierten Feststoffpartikeln 516 (auch als zweites Schutzmaterial 304 bezeichnet) verschieden sein. Beispielsweise kann das zweite Schutzmaterial 304 einen größeren Grad von der Hydrophilie aufweisen als das erste Schutzmaterial 304.
  • Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
  • Beispiel 1 ist ein Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600, aufweisend: eine Anode 1012 und eine Kathode 1022, die Anode 1012 aufweisend: ein Anode-Aktivmaterial 1012a und/oder eine Anode-Aktivmaterialschicht 1012s, welche(s) ein erstes chemisches (z.B. elektrochemisches) Potential aufweist; die Kathode 1022 aufweisend; eine Folie 302, welche Aluminium aufweist; ein Kathode-Aktivmaterial und/oder eine Kathode-Aktivmaterialschicht, welche(s) Lithium (z.B. Li/Li+) aufweist, wobei das Kathode-Aktivmaterial bzw. die Kathode-Aktivmaterialschicht ein zweites chemisches (z.B. elektrochemisches) Potential aufweist, das verschieden von dem ersten chemischen Potential ist; ein aus der Gasphase gebildetes Schutzmaterial 304, welches die Kathode-Aktivmaterialschicht bzw. das Kathode-Aktivmaterial fluiddicht von der Folie 302 separiert, wobei beispielsweise das Schutzmaterial 304 gegenüber einer alkalischen Umgebung eine größere chemische Stabilität aufweist als Aluminiumoxid; wobei beispielsweise die Anode-Aktivmaterialschicht 1012s das Anode-Aktivmaterial 1012a aufweist; wobei beispielsweise die Kathode-Aktivmaterialschicht 1022s das Kathode-Aktivmaterial 1022a aufweist.
  • Beispiel 2 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß Beispiel 1, wobei ein pH-Wert der alkalischen Umgebung, bei welchem die chemische Stabilität in eine chemische Zersetzung übergeht, für das Schutzmaterial 304 größer ist als für Aluminiumoxid oder für Aluminium.
  • Beispiel 3 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei das Schutzmaterial 304 eine geringere Tendenz aufweist Wasserstoff-Kationen aufzunehmen als Aluminiumoxid oder Aluminium.
  • Beispiel 4 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei ein pH-Wert der alkalischen Umgebung größer ist als ungefähr 8, z.B. als ungefähr 8,5, z.B. als ungefähr 9, z.B. als ungefähr 9,5, z.B. als ungefähr 10.
  • Beispiel 5 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei ein pH-Wert der alkalischen Umgebung, bei welchem eine chemische Reaktion mit der alkalischen Umgebung einsetzt, für das Schutzmaterial 304 größer ist als für Aluminiumoxid oder Aluminium.
  • Beispiel 6 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, wobei das Schutzmaterial 304 ein größeres pH-Wert-Stabilitätsfenster aufweist als Aluminiumoxid oder Aluminium.
  • Beispiel 7 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 6, wobei das Schutzmaterial 304 in körperlichem Kontakt mit dem Kathode-Aktivmaterial bzw. der Kathode-Aktivmaterialschicht ist; und/oder wobei das Schutzmaterial 304 in körperlichem Kontakt mit dem Aluminium ist.
  • Beispiel 8 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 7, ferner aufweisend: ein Elektrolyt, welches Lithium (z.B. Li/Li+) aufweist.
  • Beispiel 9 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 8, wobei der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 ein Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 vom wiederaufladbaren Typ ist; und/oder wobei der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 200, 300, 400, 600 ein Akkumulator ist.
  • Beispiel 10 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, wobei eine Ausdehnung des Schutzmaterials 304 (z.B. Schichtdicke), mit dem beispielsweise die Folie 302 beschichtet ist, kleiner ist als eine dazu parallele Ausdehnung des Kathode-Aktivmaterials bzw. der Kathode-Aktivmaterialschicht.
  • Beispiel 11 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 10, wobei die alkalische Umgebung ein polares und/oder protisches Lösungsmittel (z.B. Wasser oder ein Alkohol) und/oder Lithium aufweist.
  • Beispiel 12 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 11, wobei die Kathode-Aktivmaterialschicht bzw. das Kathode-Aktivmaterial Lithium-Eisenphosphat aufweist oder daraus gebildet ist.
  • Beispiel 13 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 12, wobei die Kathode-Aktivmaterialschicht bzw. das Kathode-Aktivmaterial Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid aufweist oder daraus gebildet ist.
  • Beispiel 14 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 13, wobei die alkalische Umgebung eine flüssige alkalische Umgebung ist und/oder mittels eines viskosen (z.B. heterogenen) Gemischs bereitgestellt wird, wobei das Gemisch beispielsweise das Kathode-Aktivmaterial, optional ein oder mehr als ein Bindermaterial, optional ein oder mehr als ein Leitadditiv und/oder ein polares und/oder protisches Lösungsmittel aufweist.
  • Beispiel 15 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß Beispiel 14, wobei das Lösungsmittel Wasser, eine organische chemische Verbindung vom Typ des Alkohols und/oder eine Lösung mehrerer protischer Lösungsmittel aufweist oder daraus gebildet ist; wobei beispielsweise das Gemisch zu mehr als ungefähr 50 Vol.-% (Volumenprozent), z.B. als 60 Vol.-% (z.B. als 75 Vol.-%), aus dem protischen Lösungsmittel besteht.
  • Beispiel 16 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, wobei die Folie 302 mit dem Schutzmaterial 304 beschichtet ist.
  • Beispiel 17 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, ferner aufweisend: eine Vielzahl Feststoffpartikel, die das Kathode-Aktivmaterial aufweisen und mit dem Schutzmaterial 304 beschichtet (z.B. fluiddicht umhüllt) sind.
  • Beispiel 18 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 17, wobei das Schutzmaterial 304 ein metallisches Material ist.
  • Beispiel 19 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 18, wobei die Anode-Aktivmaterialschicht porös ist und/oder das Anode-Aktivmaterial 1012a granular ist; und/oder wobei die Kathoden-Aktivmaterialschicht porös ist und/oder das Kathode-Aktivmaterial granular ist; und/oder wobei das Anode-Aktivmaterial 1012a und/oder das Kathode-Aktivmaterial lithiierbar sind.
  • Beispiel 20 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 19, wobei die Anode-Aktivmaterialschicht und/oder die Kathoden-Aktivmaterialschicht eine größere Porosität aufweisen als das Schutzmaterial 304 (z.B. die daraus gebildete Schicht) und/oder als die Folie 302; und/oder wobei das Kathode-Aktivmaterial und/oder das das Anode-Aktivmaterial 1012a einen größeren Grad der Granularität (Verhältnis der Oberfläche zum Volumen eines Stoffes) aufweist als das Schutzmaterial 304.
  • Beispiel 21 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 20, wobei das Schutzmaterial 304 eine Schicht (auch als Schutzschicht bezeichnet) bereitstellt, welche die Anode-Aktivmaterialschicht bzw. das Anode-Aktivmaterial 1012a und die Folie 302 fluiddichtend und/oder ionendichtend voneinander separiert.
  • Beispiel 22 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 21, ferner aufweisend: eine Verkapselung, welche die Anode 1012 und die Kathode 1022 umgibt und/oder einen Hohlraum aufweist, in welchem die Anode 1012 und die Kathode 1022 angeordnet sind.
  • Beispiel 23 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 22, ferner aufweisend: einen ersten freiliegenden Kontaktanschluss, welcher die Anode 1012 kontaktiert, und/oder einen zweiten freiliegenden Kontaktanschluss, welcher die Kathode 1022 kontaktiert.
  • Beispiel 24 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 23, wobei die Folie 302 beidseitig mit dem Schutzmaterial 304 beschichtet ist, z.B. beidseitig eine Beschichtung aus dem Schutzmaterial 304 aufweist.
  • Beispiel 25 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 24, wobei das erste elektrochemische Potential gegenüber Lithium (z.B. Li/Li+, d.h. mit Lithium als Referenz) eine Spannung von weniger als ungefähr 1,2 V (z.B. als ungefähr 1 V, z.B. als ungefähr 0,8 V, z.B. als ungefähr 0,5 V, z.B. als ungefähr 0,3 V, z.B. als ungefähr 0,1 V) aufweist.
  • Beispiel 26 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 25, wobei das zweite elektrochemische Potential gegenüber Lithium (z.B. Li/Li+, d.h. mit Lithium als Referenz) eine Spannung von größer als ungefähr 3,0 V (z.B. als ungefähr 3,5 V, z.B. als ungefähr 4 V) und/oder kleiner als oder gleich zu 4,3V aufweist.
  • Beispiel 27 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 26, wobei eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode 1012a größer ist als ungefähr 3,0 V (z.B. als ungefähr 4 V, als ungefähr 4,2 V) und/oder kleiner als 4,3 V.
  • Beispiel 28 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 27, ferner aufweisend: einen Separator welcher zwischen der Anode (z.B. deren Anode-Aktivmaterialschicht bzw. deren Anode-aktivmaterial 1012a) und der Kathode (z.B. deren Kathode-Aktivmaterialschicht bzw. deren Kathode-Aktivmaterial) angeordnet ist, beispielsweise diese voneinander isoliert (z.B. elektrisch voneinander trennt), wobei der Separator beispielsweise ionenleitfähig ist und/oder von dem (z.B. Lithium-ionenleitfähigen) Elektrolyt durchdrungen wird, wobei beispielsweise der Separator eine größere Ionenleitfähigkeit aufweist als das Schutzmaterial (bzw. als die Schutzschicht).
  • Beispiel 29 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 28, wobei die Folie 302 ein Laminat oder Verbundwerkstoff aufweist.
  • Beispiel 30 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 29, wobei die Folie 302 eine Metallfolie ist.
  • Beispiel 31 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 30, wobei die Folie 302 einen (z.B. bandförmigen) Träger aus einem Polymer aufweist.
  • Beispiel 32 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 31, wobei die Folie 302 dünner ist als 40 µm (z.B. als 20 µm).
  • Beispiel 33 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 32, wobei das Schutzmaterial 304 Kupfer (z.B. eine Kupferschicht) aufweist, wobei das Schutzmaterial beispielsweise mehrere Schichten aufweist, welche sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, und von denen eine Schicht die Kupferschicht ist.
  • Beispiel 34 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 33, wobei das Schutzmaterial 304 Titan (z.B. eine Titanschicht) aufweist, wobei das Schutzmaterial beispielsweise mehrere Schichten aufweist, welche sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, und von denen eine Schicht die Titanschicht ist.
  • Beispiel 35 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 34, wobei das Schutzmaterial 304 Nickel (z.B. eine Nickelschicht) aufweist, wobei das Schutzmaterial beispielsweise mehrere Schichten aufweist, welche sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, und von denen eine Schicht die Nickelschicht ist.
  • Beispiel 36 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 35, wobei das Schutzmaterial 304 Kohlenstoff (z.B. eine Kohlenstoffschicht) aufweist, z.B. über der Kupferschicht, wobei das Schutzmaterial beispielsweise mehrere Schichten aufweist, welche sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, und von denen eine Schicht die Kohlenstoffschicht ist.
  • Beispiel 37 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 36, wobei der Kohlenstoff in einer Kohlenstoffmodifikation vorliegt.
  • Beispiel 38 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 37, wobei die Kohlenstoffmodifikation Graphen aufweist oder daraus gebildet ist; und/oder wobei die Kohlenstoffmodifikation amorphen Kohlenstoff aufweist oder daraus gebildet ist.
  • Beispiel 39 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 38, wobei das Schutzmaterial 304 frei von Aluminium ist.
  • Beispiel 40 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 39, wobei das Schutzmaterial 304 eine hydrophile Oberfläche (z.B. auf der der Folie 302 gegenüberliegenden Seite) aufweist, beispielsweise der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 ferner aufweisend:
    • ein hydrophiles Material, mit welchem das Schutzmaterial 304 beschichtet ist.
  • Beispiel 41 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß Beispiel 40, wobei das hydrophile Material einen größeren Grad an Hydrophilie aufweist als das Schutzmaterial 304.
  • Beispiel 42 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß Beispiel 41, wobei das Schutzmaterial 304 hydrophob ist.
  • Beispiel 43 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 42, wobei eine Ausdehnung des Schutzmaterials 304 kleiner ist als eine dazu parallele Ausdehnung des Kathode-Aktivmaterials bzw. der Kathode-Aktivmaterialschicht.
  • Beispiel 44 ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 43, wobei das Schutzmaterial 304 eine Schicht bereitstellt, deren Schichtdicke kleiner ist als 1 µm (Mikrometer), z.B. kleiner als 0,5 µm, z.B. kleiner als 0,2 µm, z.B. kleiner als 0,1 µm.
  • Beispiel 45a ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 44, wobei das Schutzmaterial 304 hydrophob ist und/oder eine Oberfläche aufweist, welche hydrophob ist.
  • Beispiel 45b ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 44a, wobei ein Grad an Hydrophilie des (z.B. hydrophoben) Schutzmaterials 304 mittels einer Bearbeitung des Schutzmaterials 304 vergrößert wird, z.B. mittels einer Nachbehandlung (beispielsweise mittels einer oder mehr als einer Blitzlampe), so dass es danach einen größeren Grad an Hydrophilie aufweist.
  • Beispiel 45c ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 44b, wobei das Schutzmaterial 304 in einer ersten Konfiguration und einer zweiten Konfiguration bereitgestellt ist, wobei die zweite Konfiguration mittels der ersten Konfiguration von der Kathode-Aktivmaterialschicht bzw. dem Kathode-Aktivmaterial (z.B. fluiddicht und/oder räumlich) separiert ist, und wobei die erste Konfiguration einen größeren Grad der Hydrophilie als die zweite Konfiguration aufweist, wobei beispielsweise die erste Konfiguration die Oberfläche aufweist, welche hydrophob ist.
  • Beispiel 45d ist der Energiespeicher 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 44c, wobei das Schutzmaterial (z.B. in der ersten Konfiguration) einen größeren Grad der Hydrophilie als die Folie, Aluminium und/oder Aluminiumoxid aufweist.
  • Beispiel 46 ist ein Verfahren zum Bilden eines Energiespeichers 200, 300, 400, 500, 600 gemäß einem der Beispiele 1 bis 45, das Verfahren aufweisend: optionales Bereitstellen eines (z.B. viskosen und/oder alkalischen) Gemischs, welches beispielsweise das Kathode-Aktivmaterial und/oder ein polares und/oder protisches Lösungsmittel aufweist; optionales Bereitstellen der Folie 302, welche das Aluminium aufweist; Beschichten der Folie 302 mit dem viskosen und/oder alkalischen Gemisch (z.B. einer Aufschlämmung), welches das Kathode-Aktivmaterial aufweist; Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch, mit dem die Folie beschichtet ist zum Bilden einer festen Schicht, welche das Kathode-Aktivmaterial aufweist.
  • Beispiel 47 ist das Verfahren gemäß Beispiel 46, wobei das Bereitstellen der Folie 302 aufweist: Beschichten der Folie 302 mit dem Schutzmaterial 304 mittels einer Gasphasenabscheidung, z.B. einer physikalischen Gasphasenabscheidung.
  • Beispiel 48 ist das Verfahren gemäß Beispiel 46 oder 47, wobei das das alkalische Gemisch (z.B. eine Aufschlämmung) eine Vielzahl von Feststoffpartikeln (z.B. ein Kolloid) aufweist.
  • Beispiel 49 ist das Verfahren gemäß Beispiel 48, wobei die Feststoffpartikel das Kathode-Aktivmaterial aufweisen oder daraus gebildet sind.
  • Beispiel 50 ist das Verfahren gemäß Beispiel 49, wobei die Feststoffpartikel mittels des Schutzmaterials 304 beschichtet sind, z.B. umhüllt und/oder fluidabgedichtet (fluiddicht umhüllt sind) sind.
  • Beispiel 51 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 48 bis 50, ferner aufweisend: Beschichten der Vielzahl von Feststoffpartikeln, die das Kathode-Aktivmaterial aufweisen, mit dem Schutzmaterial 304 mittels einer Gasphasenabscheidung, z.B. einer physikalischen Gasphasenabscheidung.
  • Beispiel 52 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 48 bis 51, wobei das alkalische Gemisch 514 (z.B. die Aufschlämmung) ein Lösungsmittel und/oder Lithium aufweist.
  • Beispiel 53 ist ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats (z.B. einer Folie 302), welches Aluminium aufweist, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen des Substrats (z.B. der Folie 302) und/oder eines granularen Nutzschichtmaterials, welches aus der Gasphase mit einem Schutzmaterial 304 beschichtet ist; Beschichten (z.B. des mit dem Schutzmaterial 304 beschichteten) Substrats 302 mit einem (z.B. viskosen und/oder alkalischen) Gemisch 514 (z.B. einer Aufschlämmung), das ein Lösungsmittel und das (z.B. des mit dem Schutzmaterial 304 beschichtete) Nutzschichtmaterial aufweist; Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch 514 (z.B. der Aufschlämmung), mit dem das Substrat beschichtet ist, zum Bilden einer festen (z.B. porösen) Schicht, welche das Nutzschichtmaterial aufweist, wobei das Nutzschichtmaterial beispielsweise Lithium aufweist; das Bereitstellen beispielsweise aufweisend: Beschichten des Substrats (z.B. der Folie 302) und/oder des granularen Nutzschichtmaterials mit dem Schutzmaterial 304 mittels einer Gasphasenabscheidung, z.B. einer physikalischen und/oder chemischen Gasphasenabscheidung.
  • Beispiel 54 ist das Verfahren gemäß Beispiel 52 oder 53, wobei das Lösungsmittel ein polares und/oder protisches Lösungsmittel (z.B. Wasser oder ein Alkohol) ist; und/oder wobei das Nutzschichtmaterial Lithium aufweist.
  • Beispiel 55 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 52 bis 54, wobei das Lösungsmittel Wasser aufweist oder daraus gebildet ist, oder wobei das Lösungsmittel Alkohol (z.B. Ethanol oder Isopropanol) aufweist daraus gebildet ist.
  • Beispiel 56 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 46 bis 55, wobei das Nutzschichtmaterial einen organischen Binder (z.B. Kleber) aufweist.
  • Beispiel 57 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 53 bis 56, wobei das Nutzschichtmaterial ein Kathode-Aktivmaterial aufweist oder daraus gebildet ist, wobei das Nutzschichtmaterial optional ein Leitadditivmaterial aufweist oder daraus gebildet ist.
  • Beispiel 58 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 53 bis 57, wobei das Nutzschichtmaterial granular ist, und beispielsweise wobei das granulare Nutzschichtmaterial eine Vielzahl Feststoffpartikel (z.B. das Kathode-Aktivmaterial aufweisend oder daraus gebildet) aufweist, welche beispielsweise mittels des Schutzmaterials 304 beschichtet sind, z.B. umhüllt und/oder fluidabgedichtet (fluiddicht umhüllt sind) sind.
  • Beispiel 59 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 53 bis 58, wobei das Schutzmaterial das Nutzschichtmaterial fluiddicht von dem Gemisch separiert; und/oder wobei das Schutzmaterial das Substrat fluiddicht von dem Gemisch separiert.
  • Beispiel 60 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 53 bis 59, wobei das Substrat eine Folie aufweist oder daraus gebildet ist.
  • Beispiel 61 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 53 bis 60, wobei die Gasphasenabscheidung eine physikalische Gasphasenabscheidung (z.B. thermisches Verdampfen aufweisend) oder eine chemische Gasphasenabscheidung ist.
  • Beispiel 62 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 46 bis 61, wobei das Beschichten mit dem viskosen und/oder alkalischen Gemisch 514 mittels eines Rakels erfolgt.
  • Beispiel 63 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 46 bis 62, wobei das Gemisch 514 N-Methyl-2-pyrrolidon aufweist, oder wobei das Gemisch 514 frei ist von N-Methyl-2-pyrrolidon.
  • Beispiel 64 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 46 bis 63, wobei das Beschichten mit dem Gemisch 514 in einer atmosphärischen Umgebung (z.B. in der Erdatmosphäre) erfolgt; und/oder wobei das Beschichten in einer Atmosphäre erfolgt, die eine relative Luftfeuchtigkeit von mehr als ungefähr 30% (z.B. 50% oder 75%) aufweist.
  • Beispiel 64 ist das Verfahren gemäß einem der Beispiele 46 bis 63, wobei das Schutzmaterial 304 gegenüber dem Gemisch eine größere chemische Stabilität aufweist als Aluminiumoxid.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Bilden eines Energiespeichers (200, 300, 400, 500, 600), der Energiespeicher (200, 300, 400, 500, 600), aufweisend: • eine Anode (1012) und eine Kathode (1022), die Anode (1012) aufweisend: • ein Anode-Aktivmaterial (1012a), welches ein erstes chemisches Potential aufweist; die Kathode (1022) aufweisend; • eine Folie (302), welche Aluminium aufweist; • ein Kathode-Aktivmaterial, welches Lithium aufweist, • wobei das Kathode-Aktivmaterial ein zweites chemisches Potential aufweist, das verschieden von dem ersten chemischen Potential ist; • ein aus der Gasphase gebildetes Schutzmaterial (304), welches das Kathode-Aktivmaterial fluiddicht von der Folie (302) separiert, das Verfahren aufweisend: • Beschichten der Folie (302) mit einem Gemisch, welches das Kathode-Aktivmaterial und ein protisches Lösungsmittel aufweist; • Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch, mit dem die Folie (302) beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Kathode-Aktivmaterial aufweist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schutzmaterial (304) gegenüber einer alkalischen Umgebung eine größere chemische Stabilität aufweist als Aluminiumoxid.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein pH-Wert des Gemischs, bei welchem eine chemische Reaktion mit dem Gemisch einsetzt, für das Schutzmaterial (304) größer ist als für Aluminiumoxid.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein pH-Wert des Gemischs größer ist als ungefähr 8.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lösungsmittel Wasser ist.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lösungsmittel eine organische chemische Verbindung vom Typ des Alkohols aufweist.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Folie (302) mit dem Schutzmaterial (304) beschichtet ist.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: eine Vielzahl Feststoffpartikel, die das Kathode-Aktivmaterial aufweisen und mit dem Schutzmaterial (304) beschichtet sind.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schutzmaterial (304) Kupfer aufweist.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schutzmaterial (304) Titan aufweist.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Schutzmaterial (304) Nickel aufweist.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Schutzmaterial (304) Kohlenstoff aufweist.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Schutzmaterial (304) eine hydrophile Oberfläche aufweist.
  14. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (302), welches Aluminium aufweist, das Verfahren aufweisend: • Bereitstellen des Substrats (302), welches aus der Gasphase mit einem Schutzmaterial (304) beschichtet ist; • Beschichten des mit dem Schutzmaterial (304) beschichteten Substrats (302, 512) mit einem alkalischen Gemisch (514), welches ein Lösungsmittel und ein Nutzschichtmaterial aufweist; • Herausbringen des Lösungsmittels aus dem alkalischen Gemisch (514), mit dem das Substrat (302) beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Nutzschichtmaterial aufweist.
  15. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (302), welches Aluminium aufweist, das Verfahren aufweisend: • Bereitstellen eines granularen Nutzschichtmaterials, das Lithium aufweist und aus der Gasphase mit einem Schutzmaterial (304) beschichtet ist; • Beschichten des Substrats (302, 512) mit einem Gemisch (514), welches ein protisches Lösungsmittel und das mit dem Schutzmaterial (304) beschichtete Nutzschichtmaterial aufweist; • Herausbringen des Lösungsmittels aus dem Gemisch (514), mit dem das Substrat (302) beschichtet ist, zum Bilden einer festen Schicht, welche das Nutzschichtmaterial aufweist.
  16. Verfahren gemäß 14 oder 15, wobei das Bereitstellen ein Beschichten mit dem Schutzmaterial (304) mittels einer Gasphasenabscheidung aufweist.
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