DE102018132977A1

DE102018132977A1 - Verfahren zum erzeugen von siliziumdicken elektroden mit verbesserter lebensdauer

Info

Publication number: DE102018132977A1
Application number: DE102018132977.6A
Authority: DE
Inventors: Zhongyi Liu; Xiaosong Huang; Yan Wu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: US20190198934A1; CN109950471A

Abstract

Es ist eine Elektrode für eine Batterie vorgesehen. Die Elektrode weist eine erste aktive Schicht mit einem ersten aktiven Material auf, eine Zwischenschicht mit einem leitfähigen Material und eine zweite aktive Schicht mit einem zweiten aktiven Material. Die Zwischenschicht ist zwischen der ersten aktiven Schicht und der zweiten aktiven Schicht angeordnet. Verfahren zur Herstellung der Elektrode sind ebenfalls vorgesehen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt sieht Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung vor, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) und Elektrofahrzeugen (EVs), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien umfassen eine erste Elektrode (z. B. eine Kathode), eine zweite Elektrode (z. B., eine Anode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Oft ist ein Stapel von Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Konventionelle Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien basieren auf dem Durchleiten von Lithium-Ionen von einer negativen Elektrode zu einer positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt kann Lithium-Ionen leiten und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung.
Um die Energieabgabe einer Batterie zu erhöhen, können Elektroden verdickt werden. Für jede gegebene kolloidale Dispersion von elektrodenaktivem Material liegt jedoch eine Bruchstelle mit zunehmender Dicke von rissfrei bis rissig vor, der die mechanische Integrität der Elektrode und die Lebensdauer der Batterie möglicherweise beeinträchtigen kann. Diese Bruchstelle wird als kritische Rissdicke (CCT) bezeichnet. Daher sind Elektroden mit erhöhter Festigkeit und Zyklenlebensdauer, welche die CCT überwinden, erwünscht.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Technologie eine Elektrode vor, die eine erste aktive Schicht mit einem ersten aktiven Material, eine Zwischenschicht mit einem leitfähigen Material und eine zweite aktive Schicht mit einem zweiten aktiven Material beinhaltet. Die Zwischenschicht ist zwischen der ersten aktiven Schicht und der zweiten aktiven Schicht angeordnet.
In einem Aspekt ist eine der ersten aktiven Schichten und die zweite aktive Schicht auf einem Stromabnehmer angeordnet, der ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff, Lithium, Nickel, Edelstahl, Tantal, Titan, Wolfram, Vanadium und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt ist die Elektrode eine Anode und das erste aktive Material und das zweite aktive Material beinhalten unabhängig voneinander ein negatives elektroaktives Material.
In einem Aspekt sind das erste aktive Material und das zweite aktive Material unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, die Graphit, Lithiumtitanatoxid Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), Metalloxide von MO beinhaltet, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe), Silizium (Si), Silizium-Nanopartikeln, siliziumhaltigen Legierungen, Zinn (Sn), zinnhaltigen Legierungen und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt ist die Elektrode eine Kathode und das erste aktive Material und das zweite aktive Material beinhalten unabhängig voneinander ein positives elektroaktives Material.
In einem Aspekt sind das erste aktive Material und das zweite aktive Material unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, die Übergangsmetalloxide, Olivinstrukturierte LiMPO₄ beinhaltet, wobei M Fe, Mn, Co oder Ni ist, Schichtoxide von LiMO₂, worin M Mn, Ni, Co oder Cr ist, spinell-strukturierte LiM₂O₄, wobei M Mn oder Fe ist, und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt beinhaltet das leitfähige Material Kohlenstoff.
In einem Aspekt wird das leitfähige Material ausgewählt aus der Gruppe, die Kohlenstoff, diamantähnlichen Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß, Metalldrähte, Metallpartikel und Kombinationen derselben beinhaltet.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Technologie auch eine Elektrode mit einer ersten aktiven Schicht vor, die auf einem Kupfersubstrat angeordnet ist, wobei die erste aktive Schicht Silizium (Si) beinhaltet; eine Zwischenschicht, die auf der ersten aktiven Schicht so angeordnet ist, dass sich die erste aktive Schicht zwischen dem Kupfersubstrat und der Zwischenschicht befindet, wobei die Zwischenschicht Kohlenstoff beinhaltet; und eine zweite aktive Schicht, die auf der Zwischenschicht so angeordnet ist, dass sich die Zwischenschicht zwischen der ersten aktiven Schicht und der zweiten aktiven Schicht befindet, wobei die zweite aktive Schicht Si beinhaltet.
In einem Aspekt weisen die erste aktive Schicht, die Zwischenschicht und die zweite aktive Schicht eine kombinierte Dicke von mehr als oder gleich etwa 15 µm bis weniger als oder gleich etwa 450 µm auf.
In einem Aspekt befindet sich die Elektrode in einer Batterie.
In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Technologie noch weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode vor. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen einer ersten Zusammensetzung, die ein erstes aktives Material beinhaltet, auf einem Substrat, das Glühen der ersten Zusammensetzung, um eine erste aktive Schicht auf dem Substrat zu erzeugen; das Anordnen einer zweiten Zusammensetzung, die ein leitfähiges Material beinhaltet, auf der ersten aktiven Schicht; das Glühen der zweiten Zusammensetzung, um eine Zwischenschicht auf der ersten aktiven Schicht zu erzeugen; das Anordnen einer dritten Zusammensetzung, die ein zweites aktives Material beinhaltet, auf der Zwischenschicht; und das Glühen der dritten Zusammensetzung, um eine zweite aktive Schicht auf der Zwischenschicht zu erzeugen.
In einem Aspekt ist die erste Zusammensetzung eine erste wässrige Tinte, die zweite Zusammensetzung ist eine nicht-wässrige Tinte und die dritte Zusammensetzung ist eine zweite wässrige Tinte, wobei das Verfahren ferner das Erzeugen der ersten wässrigen Tinte und der zweiten wässrigen Tinte einzeln und unabhängig durch Kombinieren eines der ersten aktiven Materialien und des zweiten aktiven Materials, eines ersten leitfähigen Füllstoffs, eines ersten Bindemittels und eines wässrigen Lösungsmittels und das Erzeugen der zweiten Zusammensetzung durch Kombinieren der folgenden beinhaltet: des leitfähigen Materials, eines zweiten leitfähigen Füllstoffs, eines zweiten Bindemittels und eines nicht-wässrigen Lösungsmittels.
In einem Aspekt wird das Anordnen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung einzeln und unabhängig durch Aufstreuen mit einem Rakel, einer Matrizenbeschichtung oder einer Sprühbeschichtung durchgeführt.
In einem Aspekt beinhaltet das Tempern der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung das individuelle und unabhängige Inkubieren der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa einer Umgebungstemperatur bis weniger als oder gleich etwa 120 °C über eine Dauer von mehr als oder gleich etwa 30 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden.
In einem Aspekt sind das erste aktive Material und das zweite aktive Material unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, die Graphit, Lithiumtitanatoxid Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), Metalloxide von MO beinhaltet, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe), Silizium (Si), Silizium-Nanopartikeln, siliziumhaltigen Legierungen, Zinn (Sn), zinnhaltigen Legierungen und Kombinationen derselben, und das leitfähige Material ist ausgewählt aus der Gruppe, die Kohlenstoff, diamantähnlichen Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß, Metalldrähte, Metallpartikel und Kombinationen derselben beinhaltet.
In einem Aspekt ist die erste Zusammensetzung auf einem ersten Kleber angeordnet, die zweite Zusammensetzung auf einem zweiten Kleber und die dritte Zusammensetzung auf einem dritten Kleber, wobei die erste Zusammensetzung, die zweite Zusammensetzung und die dritte Zusammensetzung einzeln und unabhängig voneinander ausgeführt werden, indem der erste Kleber, der zweite Kleber oder der dritte Kleber auf das Substrat, die erste aktive Schicht bzw. die Zwischenschicht aufgebracht wird.
In einem Aspekt beinhaltet das Glühen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung das individuelle und unabhängige harte Pressen des ersten Klebers, des zweiten Klebers und des dritten Klebers.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren nach dem Glühen das Entfernen des ersten Klebers von der ersten Zusammensetzung, das Entfernen des zweiten Klebers von der zweiten Zusammensetzung und das Entfernen des dritten Klebers von der dritten Zusammensetzung.
In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren ferner das Erzeugen einer zusätzlichen Zwischenschicht auf der zweiten aktiven Schicht und das Erzeugen einer zusätzlichen aktiven Schicht auf der zusätzlichen Zwischenschicht.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen elektrochemischen Batteriezelle.
2 ist ein Schaubild einer Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie.
3A ist ein Schaubild einer Tinte mit einem aktiven Material gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie.
3B ist ein Schaubild einer Tinte mit einem leitfähigen Material gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie.
4A ist ein Schaubild eines Klebers mit einer Zusammensetzung, die ein aktives Material gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie beinhaltet.
4B ist ein Schaubild eines Klebers mit einer Zusammensetzung, die ein leitfähiges Material gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie beinhaltet.
5 ist ein Diagramm, das die normierte Kapazität (y-Achse) gegenüber der Zyklenzahl (x-Achse) für Elektroden mit einzelnen aktiven Schichten mit einer Dicke von 90 µm, 160 µm und 220 µm darstellt.
6 ist ein Diagramm, das die Entladekapazität (linke y-Achse) und den coulombischen Wirkungsgrad (rechte y-Achse) gegenüber der Zyklenzahl (x-Achse) für eine Elektrode mit einer einzelnen aktiven Schicht und eine Elektrode mit einem dreischichtigen Aufbau gemäß verschiedenen Aspekten der derzeitigen Technologie darstellt.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ etc.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technik betrifft verbesserte elektrochemische Zellen, einschließlich Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, die in Fahrzeuganwendungen verwendet werden können. Insbesondere befasst sich die derzeitige Technologie mit den Einschränkungen der kritischen Rissdicke (CCT), die ansonsten auftreten könnten, um eine wesentliche Verbesserung zu erzielen: (1) der Qualität der Elektrodenbeschichtung und der mechanischen Integrität sowie (2) der Energieabgabe und der Lebensdauer der Batterie.
Eine exemplarische und schematische Darstellung einer Batterie 20 ist in 1 dargestellt. Die Batterie kann eine elektrochemische Lithium-Ionen-Zelle oder eine elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle sein. Die Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 26 (z. B. einen mikroporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 umfasst einen Elektrolyt 30, der auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der negative Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40 weg. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und Verbrauchervorrichtung 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromabnehmer 34). Jede der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und des Separators 26 kann weiterhin den Elektrolyt 30 umfassen, der Lithium-Ionen leiten kann. Der Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24, kann der Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) zur Erleichterung des Betriebs der Batterie 20 bereitstellen.
Die Batterie 20 kann während dem Entladen einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 miteinander zu verbinden), wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge an interkaliertem Lithium enthält. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die Elektronen, die durch die Oxidation des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 22 entstehen, durch den externen Stromkreis 40 zur positiven Elektrode 24. Lithium-Ionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 und den Separator 26 in Richtung der positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 fließen, und die Lithium-Ionen, die durch die Trenneinrichtung 26 im Elektrolyt 30 wandern, bilden an der positiven Elektrode 24 eingeschobenes Lithium. Der elektrischer Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, kann genutzt und durch den Verbraucher 42 geleitet werden, bis das interkalierte Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 sinkt.
Die Batterie 20 kann durch Anschließen einer externen Stromquelle an die Batterie 20, um die elektrochemischen Reaktionen der Batterieentladung wieder umzukehren, jederzeit wieder aufgeladen und nutzbar gemacht werden. Der Anschluss einer externen Stromquelle an die Batterie 20 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Die externe Stromquelle, die verwendet werden kann, um die Batterie 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithium-Ionen-Batterie- und Lithium-Schwefel-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise einige Mikrometer oder ein Millimeter oder weniger in Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
Des Weiteren kann die Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Klemmenkappen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 als nicht einschränkendes Beispiel befinden können. Wie oben erwähnt, kann die Größe und Form der Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Batterie 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe und Leistungsdichte zu erzeugen, wenn dies für den Verbraucher 42 erforderlich ist.
Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom an die Verbrauchervorrichtung 42 erzeugen, der operativ mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom angetrieben werden, der durch die externe Schaltung 40 durchgeleitet wird, wenn sich die Batterie 20 entlädt. Während der Verbraucher 42 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein Elektroauto, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte als nicht einschränkende Beispiele. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann jedoch auch eine Energieerzeugungsvorrichtung sein, die die Batterie 20 lädt, um die Energie zu speichern.
Jeder geeignete Elektrolyt 30 kann, entweder in fester Form oder in Lösung, der die Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, in der Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die Elektrolytlösung eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Zahlreiche konventionelle, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen 30 können in der Batterie 20 verwendet werden. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet LiPF₆, LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO3, LiN(CF₃SO₂)₂ und Kombinationen derselben. Diese und ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (y-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Gemische davon, gelöst werden.
Der Separator 26 kann in einer Ausführungsform einen mikroporösen, polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin umfasst. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin ein Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein.
Wenn der Separator 26 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder einen nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 26 bilden. In weiteren Aspekten kann der Separator 26 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 26 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse polymere Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid. Die Polyolefinschicht und irgendwelche anderen optionalen Polymerschichten können zudem als fibröse Schicht in dem mikroporösen Polymerseparator 26 beinhaltet sein, um den mikroporösen Polymerseparator 26 mit geeigneten Eigenschaften für Struktur und Porosität auszustatten. Verschiedene konventionelle Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 26 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Separator 26 herzustellen.
In einer Lithium-Ionen-Batterie kann die positive Elektrode (Kathode) 24 aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Batterie 20 dient. Die positive Elektrode 24 kann ein Polymerbindemittel beinhalten, um das Lithium-basierte aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Eine exemplarische gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die verwendet werden können, um die positive Elektrode 24 zu bilden, sind Übergangsmetalloxide, einschließlich Nickelübergangsmetalloxide und geschichtete Lithiumübergangsmetalloxide. So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Spinell umfassen umfassend ein Übergangsmetall, wie Lithiummanganoxid (Li(_1+x)Mn(_2-x)O₄), worin 0 ≤ x ≤ 1, worin x typischerweise weniger als 0,15 ist einschließlich LiMn₂O₄, Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1 ist, LiMn_1,5Ni_0,5O₄, Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithiummanganoxid (LiMn2O₄), Lithium-Nickeloxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NixMn_yCo_z)O₂), wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1 ist einschließlich LiMn_0.33Ni_0.33Co_0.33O₂ein Nickel-Kobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂), wobei 0<x<1, y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein kann, sonstige bekannte Lithiumübergangsmetalloxide oder -mischoxide, Lithiumeisenphosphate oder ein Lithiumeisen-Polyanionoxid wie zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F). Diese aktiven Materialien können mit mindestens einem polymeren Bindemittel vermischt werden, beispielsweise durch Schlickergießen aktiver Materialien mit solchen Bindemitteln, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethoxylcellulose (CMC). Der positive Stromabnehmer 34 kann aus Aluminium oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, das den Fachleuten bekannt ist.
In einer Lithium-Schwefel-Batterie beinhaltet die positive Elektrode schwefelbasierte Verbindungen für ein positives aktives Material. Eine schwefelbasierte Verbindung kann ausgewählt sein aus mindestens einem von: elementaren Schwefel, Li₂Sn (worin n größer oder gleich 1), Li₂Sn (worin n größer oder gleich 1), gelöst in einem Katholyt, eine schwefelorganische Verbindung und ein Kohlenstoff-Schwefel-Polymer ((C₂S_x)_n: worin x = 2,5 und n 2 oder größer ist). Die positive Elektrode kann auch elektrisch leitfähige Materialien beinhalten, die die Bewegung der Elektronen innerhalb der positiven Elektrode erleichtern, zum Beispiel Graphit, Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel Ketjen Black, Denka Black, Acetylenruß, Kohlenstoff, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. Das leitfähige Material kann einzeln oder als Mischung von zwei oder mehr Materialien verwendet werden. Die positive Elektrode kann auch ein polymeres Bindemittel beinhalten, wie oben beschrieben.
Die negative Elektrode (Anode) 22 beinhaltet ein elektroaktives Material als Lithium-Wirtsmaterial, das als Minuspol einer Lithium-Ionen-Batterie dienen kann. Die negative Elektrode 22 kann somit ein anderes elektrisch leitfähiges Material sowie ein oder mehrere polymere Bindematerialien zum konstruktiven Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann zum Beispiel die negative Elektrode 22 Graphit, Lithiumtitanatoxid Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), Silizium, siliziumhaltige Legierungen, Zinn (Sn), zinnhaltige Legierungen, Antimon (Sb), Germanium (Ge), Legierungen derselben und Kombinationen derselben.
Graphit wird zum Bilden der negativen Elektrode 22 häufig verwendet, da er wünschenswerte Eigenschaften bei der Interkalation und Desinterkalation von Lithium aufweist, relativ nicht-reaktiv in der Umgebung elektrochemischer Zellen ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte ergeben. Kommerzielle Graphitformen und andere Graphenmaterialien, die zur Herstellung der negativen Elektrode 22 verwendet werden können, sind als nicht-begrenzendes Beispiel von Timcal Graphit und Kohlenstoff von Bodio, Schweiz, Lonza Group, Basel, Schweiz, oder Superior Graphit, Chicago, USA, erhältlich. Andere Materialien können auch zum Bilden der negativen Elektrode 22 verwendet werden, unter anderem zum Beispiel Lithium-Silizium- und siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen, wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2 und dergleichen. In bestimmten alternativen Ausführungsformen sind Lithium-Titan-Anoden-Materialien denkbar, wie Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO) beinhaltet. Jedes dieser negativen elektroaktiven Materialien kann selbstverständlich mit anderen elektroaktiven Materialien kombiniert werden.
In einer Variation kann die negative Elektrode 22 aus Lithiumtitanatoxid-(LTO)-Partikeln gebildet werden, die sich in mindestens einem von Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem Nitrilbutadienkautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk-(SBR)-Bindemittel oder Carboxymethoxylcellulose (CMC) vermischen, wie im Folgenden als nicht-einschränkendes Beispiel näher erläutert wird. Der Negativ-Elektroden-Stromabnehmer 32 kann aus Kupfer oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, wie Fachleuten bekannt ist.
In bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird mindestens eine der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 gemäß bestimmten Prinzipien der vorliegenden Lehren modifiziert. Die vorliegenden Lehren sehen beispielsweise eine dicke Batterieelektrode vor, die ein mehrschichtiges Design nutzt. Im Vergleich zu Elektroden mit einer einzelnen aktiven Schicht ermöglicht dieses Design eine stärkere Elektrode, verbessert die Batterieleistung, verbessert die elektrische Leitfähigkeit, verhindert Rissbildung und bewirkt eine verbesserte Zyklenfestigkeit und Lebensdauer. Die Elektrode ist mindestens eine von einer Anode oder einer Kathode in einer Batterie zum Betreiben von beispielsweise einem Batterie-Elektrofahrzeug (BEV), einem Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) oder einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV).
2 zeigt eine exemplarische Elektrode 100 gemäß der derzeitigen Technologie. Die Elektrode 100 umfasst eine erste aktive Schicht 102 mit einem ersten aktiven Material, eine Zwischenschicht 104 mit einem leitfähigen Material und eine zweite aktive Schicht 106 mit einem zweiten aktiven Material. Die Zwischenschicht 104 ist zwischen der ersten aktiven Schicht 102 und der zweiten aktiven Schicht 106 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist die erste aktive Schicht 102 auf einem Substrat 108 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen ist jedoch eine der ersten aktiven Schicht und der zweiten aktiven Schicht auf dem Substrat 108 angeordnet. Wie vorstehend vorgesehen, kann die Elektrode 100 eine Anode (d. h., eine negative Elektrode) oder eine Kathode (d. h., eine positive Elektrode) sein.
Das erste aktive Material der ersten aktiven Schicht 102 kann im Vergleich zum zweiten aktiven Material der zweiten aktiven Schicht 106 das gleiche oder ein unterschiedliches Material sein. In einigen Ausführungsformen ist die Elektrode 100 eine Anode und das erste aktive Material und das zweite aktive Material umfassen einzeln und unabhängig voneinander ein negatives elektroaktives Material. Das negative elektroaktive Material kann jedes vorstehend beschriebene negative elektroaktive Anodenmaterial sein, einschließlich, als nicht einschränkende Beispiele, Graphit, Lithiumtitanatoxid (Li₄Ti₅O₁₂; LTO), Metalloxide (basierend auf einer Umwandlungsreaktion) MO, wobei M Co, Ni, Cu oder Fe ist, Silizium (Si), Si-Nanopartikel, siliziumhaltige Legierungen, Zinn, zinnhaltige Legierungen oder Kombinationen derselben. In weiteren Ausführungsformen ist die Elektrode 100 eine Kathode und das erste aktive Material und das zweite aktive Material umfassen einzeln und unabhängig voneinander ein positives elektroaktives Kathodenmaterial. Das positive elektroaktive Material kann jedes vorstehend beschriebene elektroaktive Anodenmaterial sein, einschließlich, als nicht einschränkende Beispiele, Übergangsmetalloxide, wie MnO₂, V₂O₃, Olivinen-strukturierte LiMPO₄, wobei M Fe ist, Mn, Co oder Ni, geschichtete Oxide LiMO₂, wobei M Mn, Ni, Co oder Cr ist, und spinell-strukturierte LiM₂O₄, wobei M Mn oder Fe ist, schwefelbasierte Verbindungen, andere elektrisch leitfähige Materialien und Kombinationen derselben.
Die erste aktive Schicht 102 und die zweite aktive Schicht 106 weisen eine unabhängige und individuelle Dicke auf, Ta₁ und T_a2 jeweils größer oder gleich etwa 5 µm bis kleiner oder gleich etwa 150 µm, größer oder gleich etwa 10 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm, größer als oder gleich etwa 25 µm bis kleiner als oder gleich etwa 75 µm, größer als oder gleich etwa 30 µm bis kleiner als oder gleich etwa 60 µm, oder größer als oder gleich etwa 40 µm bis kleiner als oder gleich etwa 50 µm. So können beispielsweise die ersten und zweiten aktiven Schichten 102, 106 unabhängig und individuell eine Dicke T_a1 , T_a2 von etwa 5 µm, etwa 10 µm, etwa 15 µm, etwa 20 µm, etwa 25 µm, etwa 30 µm, etwa 35 µm, etwa 40 µm, etwa 45 µm, etwa 50 µm aufweisen, etwa 55 µm, etwa 60 µm, etwa 65 µm, etwa 70 µm, etwa 75 µm, etwa 80 µm, etwa 85 µm, etwa 90 µm, etwa 95 µm, etwa 100 µm, etwa 105 µm, etwa 110 µm, etwa 115 µm, etwa 120 µm, etwa 125 µm, etwa 130 µm, etwa 135 µm, etwa 140 µm, etwa 145 µm oder etwa 150 µm.
Das leitfähige Material der Zwischenschicht 104 umfasst Kohlenstoff. Als nicht einschränkende Beispiele wird das leitfähige Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff (wie G8-Kohlenstoff), diamantähnlichem Kohlenstoff, Kohlenstoffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß, Metalldrähten (wie beispielsweise Kupferdrähten), Metallpartikeln und Kombinationen derselben. Die Zwischenschicht 104 sieht eine mechanische Integrität und eine hohe Leitfähigkeit der Elektrode 100 vor.
Die Zwischenschicht 104 weist eine Dicke T_int von größer als oder gleich etwa 5 µm bis kleiner als oder gleich etwa 150 µm, größer als oder gleich etwa 25 µm bis kleiner als oder gleich etwa 125 µm, größer als oder gleich etwa 30 µm bis kleiner als oder gleich etwa 100 µm, größer als oder gleich etwa 40 µm bis kleiner als oder gleich etwa 90 µm, oder größer als oder gleich etwa 50 µm bis kleiner als oder gleich etwa 80 µm auf. So kann beispielsweise die Zwischenschicht 104 eine Dicke T_int von etwa 5 µm, etwa 10 µm, etwa 15 µm, etwa 20 µm, etwa 25 µm, etwa 30 µm, etwa 35 µm, etwa 40 µm, etwa 45 µm, etwa 50 µm, etwa 55 µm, etwa 60 µm, etwa 65 µm, etwa 70 µm, etwa 75 µm, etwa 80 µm, etwa 85 µm, etwa 90 µm, etwa 95 µm, etwa 100 µm, etwa 105 µm, etwa 110 µm, etwa 115 µm, etwa 120 µm, etwa 125 µm, etwa 130 µm, etwa 135 µm, etwa 140 µm, etwa 145 µm oder etwa 150 µm auf.
Die ersten und zweiten aktiven Schichten 102, 106 und die Zwischenschicht 104 weisen eine kollektive Gesamtdicke Ttot von mehr als oder gleich etwa 15 µm bis weniger als oder gleich etwa 450 µm, mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 400 µm, mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 300 µm, mehr als oder gleich etwa 150 µm bis weniger als oder gleich etwa 250 µm, oder größer als oder gleich etwa 175 µm bis weniger als oder gleich 225 µm auf. So können beispielsweise die ersten und zweiten aktiven Schichten 102, 106 und die Zwischenschicht 104 eine kollektive Gesamtdicke Ttot von etwa 15 µm, etwa 25 µm, etwa 50 µm, etwa 75 µm, etwa 100 µm, etwa 125 µm, etwa 150 µm, etwa 175 µm, etwa 200 µm, etwa 225 µm, etwa 250 µm, etwa 275 µm, etwa 300 µm, etwa 325 µm, etwa 350 µm, etwa 375 µm, etwa 400 µm, etwa 425 µm oder etwa 450 µm aufweisen.
Das Substrat 108 ist ein Stromabnehmer und umfasst als nicht einschränkende Beispiele Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff, Lithium, Nickel, Edelstahl, Tantal, Titan, Wolfram, Vanadium und Kombinationen derselben. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Substrat 108 (Stromabnehmer) als Folie vorgesehen. Die erste aktive Schicht 102 ist in verschiedenen Ausführungsformen direkt auf dem Substrat angeordnet. In einigen Ausführungsformen, obwohl nicht in 2 dargestellt, umfasst das Substrat eine dünne, d. h. weniger als oder gleich etwa 20 µm, Schicht aus einem leitfähigen Material. Das leitfähige Material kann jedes für die Zwischenschicht 104 geeignete Material sein. In derartigen Ausführungsformen ist die erste aktive Schicht 102 auf der dünnen Schicht angeordnet.
Eine Elektrode mit einer einzelnen aktiven Schicht kann durch Vergrößern der Dicke der aktiven Schicht modifiziert werden. Die Dicke wird jedoch durch eine kritische Rissdicke (CCT) für das aktive Schichtmaterial begrenzt. Die Elektrode 100 sieht eine hohe Dicke vor, indem sie die Zwischenschicht 104 zwischen den ersten und zweiten aktiven Schichten 102, 106 bereitstellt. Zusätzliche Schichten können mit der Maßgabe einbezogen werden, dass sich eine Zwischenschicht zwischen aktiven Schichten befindet. Dieses Design bietet eine verbesserte Batterieenergieausgabe, verbesserte Leitfähigkeit durch mehrere Elektronenwege (von einem einzelnen aktiven Schichtkontakt bis hin zum aktiven Schicht-zwischenschichtaktiven Schicht-Ebenenkontakt), verbesserte mechanische Integrität durch das Überwinden eines CCT einer einzelnen Schicht und eine verbesserte Batterieenergiedichte und Lebensdauerleistung.
Die aktuelle Technologie sieht auch eine Batterie vor, welche die Elektrode 100 umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die Elektrode 100 in der Batterie als mindestens eine von einer Anode und einer Kathode vorhanden. Die Batterie ist für ein BEV, PHEV, HEV oder andere Elektrofahrzeuge und Anwendungen geeignet.
Die aktuelle Technologie sieht ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode vor, wie beispielsweise der Elektrode 100, die mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer ersten Zusammensetzung, die ein erstes aktives Material umfasst, auf einem Substrat, das Glühen der ersten Zusammensetzung, um eine erste aktive Schicht auf dem Substrat zu erzeugen, das Anordnen einer zweiten Zusammensetzung, die ein leitfähiges Material umfasst, auf der ersten aktiven Schicht, das Glühen der zweiten Zusammensetzung, um eine Zwischenschicht auf der ersten aktiven Schicht zu erzeugen, das Anordnen einer dritten Zusammensetzung, die ein zweites aktives Material umfasst, auf der Zwischenschicht, und das Glühen der dritten Zusammensetzung, um eine zweite aktive Schicht auf der Zwischenschicht zu erzeugen.
Die erste Zusammensetzung ist eine erste Tinte, die zweite Zusammensetzung ist eine zweite Tinte und die dritte Zusammensetzung ist eine dritte Tinte. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Erzeugen der ersten Tinte und der dritten Tinte einzeln und unabhängig durch Kombinieren eines der ersten aktiven Materialien und des zweiten aktiven Materials, eines ersten leitfähigen Füllstoffs, eines ersten Bindemittels und eines wässrigen Lösungsmittels oder eines nicht-wässrigen Lösungsmittels. Die erste und dritte Tinte umfassen 20-80 Gew.-% eines ersten oder zweiten aktiven Materials, 10-30 Gew.-% eines ersten Füllstoffs, 10-30 Gew.-% eines ersten Bindemittels und eines ersten Lösungsmittels mit 100 Gew.-%. Wobei das erste aktive Material das gleiche ist wie das zweite aktive Material, wobei nur eine einzelne Tinte erforderlich ist. Die ersten und zweiten aktiven Materialien können negative elektroaktive Materialien oder positive elektroaktive Materialien sein, wie vorstehend beschrieben. Darüber hinaus sind die ersten und zweiten aktiven Materialien das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien. Das Verfahren kann auch das Erzeugen der zweiten Tinte durch Kombinieren des leitfähigen Materials, eines zweiten leitfähigen Füllstoffs, eines zweiten Bindemittels und eines zweiten Lösungsmittels umfassen. Die zweite Tinte umfasst 75-94 Gew.-% eines leitfähigen Materials, 3-10 Gew.-% eines zweiten Füllstoffs, 3-10 Gew.-% eines zweiten Bindemittels und eines zweiten Lösungsmittels auf 100 Gew.-%. Das leitfähige Material kann jedes leitfähige Material sein, das vorstehend mit Bezug auf die Zwischenschicht beschrieben wurde. Die ersten und zweiten leitfähigen Füllstoffe können Kohlenstoff (wie beispielsweise G8-Kohlenstoff), diamantähnlichem Kohlenstoff, Kohlenstoffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß, Metalldrähten (wie beispielsweise Kupferdrähten), Metallpartikeln und Kombinationen derselben. Das erste und zweite Bindemittel kann unabhängig voneinander Natriumalginat, Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Polyacrylsäure (PAA), Lithiumalginat und Kombinationen derselben sein. Das Lösungsmittel kann ein wässriges Lösungsmittel sein, wie beispielsweise Wasser, oder ein nicht-wässriges Lösungsmittel, wie beispielsweise N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). 3A zeigt eine erste oder dritte Tintenzusammensetzung 120 in einem ersten Behälter 122. 3B zeigt eine zweite Tintenzusammensetzung 130 in einem zweiten Behälter 132.
In einigen Aspekten der derzeitigen Technologie wird das Anordnen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung einzeln und unabhängig durch Aufstreuen mit einem Rakel, einer Matrizenbeschichtung oder einer Sprühbeschichtung durchgeführt. Insbesondere wird die erste Tinte auf einem Substrat angeordnet und getempert, um die erste Schicht zu bilden, die zweite Tinte wird auf der ersten aktiven Schicht angeordnet und getempert, um die Zwischenschicht zu bilden, und die dritte Tinte wird auf der Zwischenschicht angeordnet und getempert, um die zweite aktive Schicht zu bilden. Das Tempern der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung umfasst das individuelle und unabhängige Inkubieren der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung bei einer Temperatur von mehr als oder gleich etwa einer Umgebungstemperatur bis weniger als oder gleich etwa 120 °C über eine Dauer von mehr als oder gleich etwa 30 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 12 Stunden. Hier sollten die erste und dritte Zusammensetzung nicht mit der zweiten Zusammensetzung mischbar sein. Wenn somit die ersten und dritten Tintenzusammensetzungen 120 ein wässriges Lösungsmittel umfassen, umfasst die zweite Tintenzusammensetzung 130 ein nicht-wässriges Lösungsmittel. Umgekehrt, wenn die ersten und dritten Tintenzusammensetzungen 120 ein nicht-wässriges Lösungsmittel umfassen, umfasst die zweite Tintenzusammensetzung 130 ein wässriges Lösungsmittel. Auf der zweiten aktiven Schicht können weitere Schichten angeordnet werden, mit der Maßgabe, dass sich Zwischenschichten zwischen den aktiven Schichten befinden. Das Verfahren kann beispielsweise auch das Erzeugen einer zusätzlichen Zwischenschicht auf der zweiten aktiven Schicht und das Erzeugen einer zusätzlichen aktiven Schicht auf der zusätzlichen Zwischenschicht usw. beinhalten, bis eine vorgegebene Anzahl von Schichten erzeugt wurde.
In weiteren Aspekten der derzeitigen Technologie, wie in 4A dargestellt, sind die ersten und dritten Zusammensetzungen 120 auf einzelnen ersten und dritten Klebern 124 als erste und dritte Tinte angeordnet, und, wie in 4B dargestellt, ist die zweite Zusammensetzung auf einem zweiten Kleber 134 als zweite Tinte angeordnet. Hier wird die Anordnung der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung einzeln und unabhängig durchgeführt, indem der erste Kleber, der zweite Kleber oder der dritte Kleber auf das Substrat, die erste aktive Schicht bzw. die Zwischenschicht aufgebracht wird. Das Glühen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung umfasst das individuelle und unabhängige harte Pressen des ersten Aufklebers, des zweiten Aufklebers und des dritten Aufklebers. Nach dem Glühen umfasst das Verfahren das Entfernen des ersten Aufklebers von der ersten Zusammensetzung, das Entfernen des zweiten Aufklebers von der zweiten Zusammensetzung und das Entfernen des dritten Aufklebers von der dritten Zusammensetzung.
So ist beispielsweise der erste Aufkleber 124 auf einem Substrat so positioniert, dass die erste Zusammensetzung das Substrat kontaktiert. Die erste Zusammensetzung wird durch Pressen auf das Substrat getempert und der erste Aufkleber 124 entfernt, um eine erste aktive Schicht freizulegen, welche die erste Zusammensetzung umfasst. Der zweite Aufkleber 134 wird dann auf der ersten aktiven Schicht so positioniert, dass die zweite Zusammensetzung die erste aktive Schicht kontaktiert. Die zweite Zusammensetzung wird durch Pressen auf die erste aktive Schicht getempert und der zweite Aufkleber 134 wird entfernt, um eine Zwischenschicht freizulegen. Der dritte Aufkleber 124 (der das gleiche aktive Material wie der erste Aufkleber 124 beinhalten kann) wird dann auf der Zwischenschicht so positioniert, dass die dritte Zusammensetzung die Zwischenschicht kontaktiert. Die dritte Zusammensetzung wird durch Pressen auf die Zwischenschicht getempert und der dritte Aufkleber 124 wird entfernt, um eine zweite aktive Schicht freizulegen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Technik sind ferner veranschaulicht durch folgende nicht Beispiele.
Beispiel 1
Es werden Elektroden mit einer einzelnen aktiven Schicht unterschiedlicher Dicke (90 µm, 160 µm und 220 µm) hergestellt. Die Elektroden werden dann doppelt untersucht, um zu ermitteln, wie sich die aktive Schichtdicke über einen Zyklusverlauf auf die Kapazität auswirkt.
5 zeigt ein Diagramm 140 mit Testergebnissen für die Elektroden. Das Diagramm 140 weist eine y-Achse 142 mit einer normierten Kapazität (von 0-1,2) und eine x-Achse 144 mit einer Zyklenzahl (von 0 bis 50 Zyklen) auf. Kapazitätskurven für Elektroden mit einer aktiven Schichtdicke von 90 µm 146, einer aktiven Schichtdicke von 160 µm 147 und einer aktiven Schichtdicke von 220 µm 148 sind im Diagramm 140 eingezeichnet. Das Diagramm 140 zeigt, dass die Kapazität mit abnehmender Zyklenzahl abnimmt, wenn die aktive Schichtdicke zunimmt.
Beispiel 2
Es wird eine wässrige Tinte erzeugt, die 60 Gew.-% Nanopartikel als aktives Material, 20 Gew.-% Ruß als ersten leitfähigen Füllstoff, 20 Gew.-% Natriumalginat als erstes Bindemittel und Wasser als wässriges Lösungsmittel umfasst.
Es wird eine nicht-wässrige Tinte erzeugt, die 88 Gew.-% G8-Kohlenstoff als leitfähiges Material, 6 Gew.-% Ruß als zweiten leitfähigen Füllstoff, 6 Gew.-% PVDF als zweites Bindemittel und NMP als wässriges Lösungsmittel umfasst.
Die wässrige Tinte wird auf ein Kupferfoliensubstrat aufgetragen und bei Umgebungstemperatur getempert, um eine erste aktive Schicht zu erzeugen. Die nicht-wässrige Tinte wird dann auf die erste aktive Schicht aufgetragen und bei Umgebungstemperatur getempert, um eine Zwischenschicht zu erzeugen. Die wässrige Tinte wird dann auf die Zwischenschicht aufgetragen und bei Umgebungstemperatur getempert, um eine zweite aktive Schicht zu erzeugen. Zusammenfassend wird eine dreischichtige Elektrode mit einer Dreischichtdicke von etwa 200 µm erzeugt.
Um die dreischichtige Elektrode mit einer zweiten Elektrode zu vergleichen, die eine einzelne aktive Schicht mit einer Dicke von etwa 150-200 µm umfasst, werden Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse werden in einem in 6 bereitgestellten Diagramm 150 tabellarisch dargestellt. Das Diagramm 150 weist eine linke y-Achse 152 mit der Entladekapazität (von 0-0,006 Ah), eine rechte y-Achse 154 mit der coulombischen Effizienz (80-100 %) und eine x-Achse 156 mit der Zyklenzahl (von 0 bis 50 Zyklen) auf. Die Quadrate 158 beziehen sich auf die Elektrode, die eine einzelne aktive Schicht umfasst, während sich die Kreise 160 auf die Elektrode mit drei Schichten beziehen. Das Diagramm 150 zeigt, dass die dreischichtige Elektrode eine überlegene Entladekapazität und coulombische Effizienz im Vergleich zu der zweiten Elektrode aufweist, die eine einzelne aktive Schicht umfasst.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Elektrode, umfassend: eine erste aktive Schicht, umfassend ein erstes aktives Material; eine Zwischenschicht, umfassend ein leitfähiges Material; und eine zweite aktive Schicht, umfassend ein zweites aktives Material, worin die Zwischenschicht zwischen der ersten aktiven Schicht und der zweiten aktiven Schicht angeordnet ist.
Elektrode nach Anspruch 1, worin eine der ersten aktiven Schichten und die zweite aktive Schicht auf einem Stromabnehmer angeordnet ist, der ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Kohlenstoff, Lithium, Nickel, Edelstahl, Tantal, Titan, Wolfram, Vanadium und Kombinationen derselben.
Elektrode nach Anspruch 1, worin das erste aktive Material und das zweite aktive Material unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Lithiumtitanatoxid Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), Metalloxide von MO, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe), Silizium (Si), Silizium-Nanopartikeln, siliziumhaltigen Legierungen, Zinn (Sn), zinnhaltigen Legierungen und Kombinationen derselben.
Elektrode nach Anspruch 1, worin das erste aktive Material und das zweite aktive Material unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetalloxiden, Olivin-strukturiertem LiMPO₄, wobei M Fe, Mn, Co oder Ni ist, Schichtoxiden von LiMO₂, wobei M Mn, Ni, Co oder Cr ist, spinell-strukturiertem LiM₂O₄, wobei M Mn oder Fe ist, und Kombinationen derselben.
Elektrode nach Anspruch 1, worin das leitfähige Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, diamantähnlichem Kohlenstoff, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Ruß, Metalldrähten, Metallpartikeln und Kombinationen derselben.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrode, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen einer ersten Zusammensetzung, umfassend ein erstes aktives Material, auf einem Substrat; Glühen der ersten Zusammensetzung zum Erzeugen einer ersten aktiven Schicht auf dem Substrat; Anordnen einer zweiten Zusammensetzung, umfassend ein leitfähiges Material, auf der ersten aktiven Schicht; Glühen der zweiten Zusammensetzung zum Erzeugen einer Zwischenschicht auf der ersten aktiven Schicht; Anordnen einer dritten Zusammensetzung, umfassend ein zweites aktives Material, auf der Zwischenschicht; und Glühen der dritten Zusammensetzung zum Erzeugen einer zweiten aktiven Schicht auf der Zwischenschicht.
Verfahren nach Anspruch 6, worin die erste Zusammensetzung eine erste wässrige Tinte ist, die zweite Zusammensetzung eine nicht-wässrige Tinte ist und die dritte Zusammensetzung eine zweite wässrige Tinte ist, wobei das Verfahren ferner umfasst: Erzeugen der ersten wässrigen Tinte und der zweiten wässrigen Tinte unabhängig und individuell durch Kombinieren von: eines der ersten aktiven Materialien und des zweiten aktiven Materials, einen ersten leitfähigen Füllstoff, ein erstes Bindemittel, und ein wässriges Lösungsmittel; und Erzeugen der zweiten Zusammensetzung durch Kombinieren von: dem leitfähigen Material, einen zweiten leitfähigen Füllstoff, ein zweites Bindemittel, und ein nicht-wässriges Lösungsmittel.
Verfahren nach Anspruch 7, worin das Anordnen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung einzeln und unabhängig durch Auftragen mit einem Rakel, einer Matrizenbeschichtung oder einer Sprühbeschichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die erste Zusammensetzung auf einem ersten Aufkleber angeordnet ist, die zweite Zusammensetzung auf einem zweiten Aufkleber angeordnet ist und die dritte Zusammensetzung auf einem dritten Aufkleber angeordnet ist, und die erste Zusammensetzung, die zweite Zusammensetzung und die dritte Zusammensetzung einzeln und unabhängig ausgeführt werden, indem der erste Aufkleber, der zweite Aufkleber oder der dritte Aufkleber auf das Substrat, die erste aktive Schicht bzw. die Zwischenschicht aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, worin das Glühen der ersten Zusammensetzung, der zweiten Zusammensetzung und der dritten Zusammensetzung das individuelle und unabhängige harte Pressen des ersten Aufklebers, des zweiten Aufklebers und des dritten Aufklebers umfasst.