DE102018200973A1 - Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Zelle, insbesondere eine Lithium-Metall- und/oder -lonen-Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle, welche eine Anodenschicht (11) und eine Kathodenschicht (12) umfasst. Dabei ist zwischen der Anodenschicht (11) und der Kathodenschicht (12) eine Separatorschicht (13) angeordnet. Dabei umfasst die Kathodenschicht (12) und/oder die Separatorschicht (13) und/oder die Anodenschicht (11) mindestens ein Lösungsmittel und/oder mindestens ein Lithium-Leitsalz. Um die Schnellladefähigkeit der Zelle zu verbessern, ist zwischen der Kathodenschicht (12) und der Separatorschicht (13) eine Trennschicht (14) angeordnet, welche (14) lithiumionenleitend und undurchlässig für das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht (12) und/oder der Separatorschicht (13) und/oder der Anodenschicht (11) und/oder undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht (12) und/oder der Separatorschicht (13) und/oder der Anodenschicht (11) ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Zelle, insbesondere eine Lithium-Metall- und/oder -lonen-Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle.
  • Stand der Technik
  • Lithium-Zellen sind als Energiespeicher der Zukunft von besonderem Interesse.
  • Lithium-Ionen-Zellen weisen zumindest eine Elektrodenschicht auf, welche ein Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial umfasst. Beim Laden und Entladen der Zelle können dabei Lithiumionen in das Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial eingelagert und wieder ausgelagert werden. Bei herkömmlichen Graphit basierten Lithium-Ionen-Zellen umfasst die Anodenschicht Graphit als Lithium-Interkalationsmaterial. In der Regel weist bei Lithium-Ionen-Zellen insbesondere auch die Kathodenschicht ein Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial auf.
  • Lithium-Zellen, deren Anodenschicht Lithiummetall und/oder eine Lithiummetalllegierung umfasst, werden als Lithium-Metall-Zellen bezeichnet.
  • Bei Lithium-Schwefel-Zellen beruht die elektrochemische Reaktion der Zelle kathodenseitig im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Zellen nicht auf einer Interkalations- und/oder Insertionsreaktion in ein Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial, sondern auf einer chemischen Umwandlung von Schwefel (Konversionsreaktion).
  • In den Druckschriften WO 2015/088451 A1 und US 2016/0141620 A1 werden Lithium-Schwefel-Zellen beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Metall-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere eine Lithium-Metall-Zelle, welche eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht umfasst. Zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht ist dabei insbesondere eine Separatorschicht angeordnet. Dabei umfasst beispielsweise die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht mindestens ein, insbesondere organisches, Lösungsmittel und/oder mindestens ein Lithium-Leitsalz.
  • Zwischen der Kathodenschicht und der Separatorschicht ist insbesondere eine Trennschicht angeordnet. Dabei ist die Trennschicht insbesondere lithiumionenleitend und undurchlässig für das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht und/oder der Separatorschicht und/oder der Anodenschicht und/oder undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht und/oder der Separatorschicht und/oder der Anodenschicht.
  • Insbesondere kann die Trennschicht undurchlässig für in der Zelle verwendete, beispielsweise organische, Lösungsmittel und/oder Lithium-Leitsalz-Anionen sein.
  • Unter undurchlässig kann insbesondere verstanden werden, dass die Schicht einen Transport des mindestens einen Lösungsmittels und/oder von Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht und/oder der Separatorschicht und/oder der Anodenschicht, beispielsweise der in der Zelle verwendeten Lösungsmittel und/oder Lithium-Leitsalz-Anionen, im Wesentlichen, insbesondere zu ≥ 90 %, beispielsweise zu ≥ 99 %, zum Beispiel zu ≥ 99,9 % oder sogar ≥ 99,99 %, insbesondere bezogen auf die Summe der vorliegenden Lösungsmittelmoleküle beziehungsweise bezogen auf die Summe der vorliegenden Lithium-Leitsalz-Anionen, verhindert.
  • Dadurch, dass die Trennschicht undurchlässig für das mindestens eine Lösungsmittel und/oder Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht und/oder der Separatorschicht und/oder der Anodenschicht ist, können vorteilhafterweise die Kathodenschicht einerseits und die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht andererseits voneinander entkoppelt werden. Zum Beispiel können durch die Verwendung einer derartigen Trennschicht in der Kathodenschicht und in der Separatorschicht und/oder Anodenschicht beziehungsweise kathodenseitig und separatorseitig und/oder anodenseitig unterschiedliche Elektrolyte, beispielsweise kathodenseitig ein Flüssigelektrolyt und separatorseitig und/oder anodenseitig, insbesondere separatorseitig, ein Festelektrolyt, beispielsweise ein Polymerelektrolyt, und/oder kathodenseitig andere Lithium-Leitsalz-Anionen als separatorseitig und/oder anodenseitig, insbesondere separatorseitig, verwendet werden. So können die Elektrolyte entsprechend ihrer jeweiligen Umgebung optimiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Zelle insgesamt optimiert werden. Beispielsweise kann durch die Verwendung eines kathodenseitigen Flüssigelektrolyten, beispielsweise aus mindestens einem, insbesondere organischen, Lösungsmittel und mindestens einem Lithium-Leitsalz, in Kombination mit der Trennschicht die Ratenfähigkeit der Zelle verbessert werden. Zudem können durch die Trennschicht Konzentrationsgradienten minimiert und beispielsweise eine unerwünschte Lithium-Leitsalz-Anreicherung in einer Komponente der Zelle, zum Beispiel in der Separatorschicht, verhindert werden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Ratenfähigkeit und damit die Schnellladefähigkeit der Zelle auswirken kann.
  • Insgesamt kann so durch die Trennschicht die Schnellladefähigkeit der Zelle verbessert werden.
  • In einer Ausgestaltung weist die Trennschicht eine Selektivität zum Transport von Lithiumionen (Li+), insbesondere gegenüber einem Transport von anderen mobilen Spezies der Zelle, wie anderen (mobilen) Kationen, Anionen und ungeladenen Molekülen, wie Lösungsmittelmolekülen, von ≥ 90 %, insbesondere von ≥ 99 %, beispielsweise von ≥ 99,9 %, zum Beispiel von ≥ 99,99 %, bezogen auf die Summe der Molzahlen der in der Zelle vorliegenden mobilen Spezies, insbesondere (mobilen) Kationen (einschließlich Lithiumionen), (mobilen) Anionen und (mobilen) ungeladenen Moleküle, insgesamt auf.
  • Insbesondere kann die Trennschicht eine Selektivität zum Transport von Lithiumionen (Li+), insbesondere gegenüber einem Transport von anderen mobilen Spezies der Zelle, wie anderen (mobilen) Kationen, Anionen und ungeladenen Molekülen, wie Lösungsmittelmolekülen, von ≥ 99 %, bezogen auf die Summe der Molzahlen der in der Zelle vorliegenden mobilen Spezies, insbesondere (mobilen) Kationen (einschließlich Lithiumionen), (mobilen) Anionen und (mobilen) ungeladenen Moleküle, insgesamt aufweisen. Durch eine Lithiumionen-Selektivität von ≥ 99 % können vorteilhafterweise Konzentrationsgradienten zwischen dem Separator und der Kathodenschicht minimiert werden, was sich vorteilhaft auf Ratenfähigkeit der Zelle auswirken kann.
  • Beispielsweise kann die Trennschicht eine Selektivität zum Transport von Lithiumionen (Li+), insbesondere gegenüber einem Transport von anderen mobilen Spezies der Zelle, wie anderen (mobilen) Kationen, Anionen und ungeladenen Molekülen, wie Lösungsmittelmolekülen, von ≥ 99,9 %, zum Beispiel von ≥ 99,99 %, bezogen auf die Summe der Molzahlen der in der Zelle vorliegenden mobilen Spezies, insbesondere (mobilen) Kationen (einschließlich Lithiumionen), (mobilen) Anionen und (mobilen) ungeladenen Moleküle, insgesamt aufweisen. Dies kann insbesondere für die Verwendung von unterschiedlichen Lithium-Leitsalzen und/oder Lösungsmittel zu beiden Seiten der Trennschicht vorteilhaft sein, insbesondere um die Leistungsfähigkeit der Zelle zu optimieren.
  • Unter Spezies können dabei insbesondere Atome und Moleküle verstanden werden.
  • Im Hinblick auf einen Transport von Elektronen, bei welchen es sich um Elementarteilchen handelt, kann die Trennschicht grundsätzlich sowohl elektrisch isolierend als auch elektrisch leitend sein, da eine elektrische Isolierung zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht durch die Separatorschicht, welche insbesondere elektrisch isolierend sein kann, gewährleistet werden kann.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die Trennschicht modifiziertes Graphen und/oder Graphenoxid, insbesondere vernetztes Graphenoxid, und/oder Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON).
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die Trennschicht Graphen und/oder Graphenoxid, beispielsweise modifiziertes Graphen und/oder Graphenoxid, insbesondere vernetztes Graphenoxid.
  • Graphen und/oder Graphenoxid, basierte Trennschichten können vorteilhafterweise eine laminare Schichtstruktur aufweisen, bei welcher der Schichtabstand zwischen den einzelnen Schichten der Schichtstruktur durch eine geeignete Modifizierung derart gering eingestellt werden kann, dass zwar noch Lithiumionen, jedoch keine Lösungsmittelmoleküle und/oder Lithium-Leitsalz-Anionen durch die Trennschicht hindurch transportiert werden können.
  • Graphen und/oder Graphenoxid, insbesondere modifiziertes Graphenoxid, können zu den meisten in Kathodenschichten und Separatorschichten verwendeten Materialien chemisch kompatibel sein. Dadurch, dass die Trennschicht zwischen der Separatorschicht und der Kathodenschicht angeordnet ist beziehungsweise dadurch dass, zwischen der Anodenschicht und der Trennschicht die Separatorschicht angeordnet ist, kann dabei zudem auch eine Reduktion von, insbesondere modifiziertem, Graphenoxid durch metallisches Lithium der Anodenschicht vermieden werden.
  • Darüber hinaus können Graphen und/oder Graphenoxid basierte Schichten vorteilhafte physikalische Eigenschaften aufweisen und beispielsweise flexibel sein und/oder ein hohes Schermodul aufweisen, was sich vorteilhaft auf deren Handhabung bei der Zellherstellung und insbesondere auch auf die Betriebsicherheit der Zelle auswirken kann. Physikalische Eigenschaften von Graphenoxid werden beispielsweise in ACS Nano 2016,10, S. 1939-1947 und ACS Nano, 2010, Vol. 4, No. 11, S. 6557-6564 beschrieben.
  • Im Rahmen einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die Trennschicht Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON). Lithiumphosphoroxynitrid kann vorteilhafterweise in Form einer dichten, lediglich lithiumionenleitenden und insbesondere lösungsmittelundurchlässigen und Lithium-Leitsalz-Anionen undurchlässigen Schicht ausgestaltet werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Trennschicht eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von Graphenschichten auf. Dabei können insbesondere benachbarte Graphenschichten, beispielsweise über Di- oder PolyCarbonsäuren beziehungsweise -ester, untereinander vernetzt sein und/oder einen durchschnittlichen Abstand zueinander im Angströmbereich, insbesondere von ≤ 15 Å, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 5 Å bis ≤ 15 Å, zum Beispiel von etwa 7 Å oder 8 Å, aufweisen.
  • Durch einen derartig geringen Abstand zwischen benachbarten Schichten der Schichtstruktur der Trennschicht kann vorteilhafterweise einerseits eine Durchlässigkeit der Trennschicht für Lithiumionen und damit eine Lithiumionenleitfähigkeit der Trennschicht und andererseits eine Undurchlässigkeit der Trennschicht für, insbesondere in der Zelle verwendete, Lösungsmittel und/oder Lithium-Leitsalz-Anionen realisiert werden.
  • Durch die Vernetzung der benachbarten Graphenschichten kann vorteilhafterweise die Schichtstruktur und insbesondere auch der durchschnittliche Abstand zwischen den Schichten fixiert beziehungsweise vor einer Veränderung geschützt werden. Durch Auswahl des Vernetzungsmittels, zum Beispiel im Hinblick auf die Kettenlänge einer dadurch ausgebildeten Vernetzung, kann zudem vorteilhafterweise auch der durchschnittliche Abstand zwischen den Schichten eingestellt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Trennschicht mindestens ein Lithium-Leitsalz. Dabei kann das mindestens eine Lithium-Leitsalz insbesondere zwischen Graphenschichten interkaliert sein. Durch die Vernetzung der Graphenschichten können dabei vorteilhafterweise die Lithium-Leitsalz-Anionen des interkalierten Lithium-Leitsalzes zwischen den Graphenschichten in der Trennschicht festgehalten werden, so dass lediglich die Lithium(kat)ionen mobil bleiben und dadurch die Trennschicht insgesamt lithiumionenleitend und undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen ist.
  • Insbesondere kann die Sperrschicht daher eine Graphen und/oder Graphenoxid basierte Schichtstruktur mit untereinander vernetzten Graphenschichten und mindestens einem zwischen den Graphenschichten interkalierten Lithium-Leitsalz umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.
  • Eine derartige Trennschicht kann beispielsweise durch Funktionalisieren von Graphenoxid mit mindestens einem Vernetzungsmittel, beispielsweise Acryloylchlorid, gegebenenfalls Abfiltrieren des funktionalisierten Graphenoxids, Einbringen mindestens eines Lithium-Leitsalzes, beispielsweise von Lithiumbis-(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), in das funktionalisierte Graphenoxid, gegebenenfalls Trocknen, beispielsweise Vakuumtrocknen, des funktionalisierten Graphenoxids mit dem mindestens einen eingebrachten Lithium-Leitsalz, und, beispielsweise strahlungsinduziertes, zum Beispiel durch ultraviolette Strahlung induziertes, Vernetzen des mindestens einen Vernetzungsmittels hergestellt werden oder sein. So können insbesondere die Graphenschichten mit dazwischen interkaliertem Lithium-Leitsalz untereinander vernetzt werden. Eine derartige Herstellung von vernetztem Graphenoxid wurde von K. R. Zavadil, K. C. Klavetter, B. Helms, X. Meng und J. Elam im Rahmen des MRS Fall Meeting 2016 beschrieben.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Trennschicht eine durchschnittliche Schichtdicke (d) von ≤ 1 µm, insbesondere von ≤ 0,5 µm, auf. Derartig dünne Schichten können vorteilhafterweise bereits zum Erzielen des beschriebenen Effektes ausreichend sein. So kann eine möglichst hohe spezifische Energiedichte und damit Leistungsfähigkeit der Zelle erzielt werden.
  • Die Separatorschicht kann insbesondere mindestens einen Festelektrolyten, beispielsweise mindestens einen Polymerelektrolyten, umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Separatorschicht mindestens ein lithiumionenleitfähiges Block-Co-Polymer.
  • Weiterhin kann die Separatorschicht insbesondere mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen.
  • Zum Beispiel kann die Separatorschicht mindestens einen Polymerelektrolyten, insbesondere aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Block-Co-Polymer und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen oder daraus ausgebildet sein.
  • Das mindestens eine lithiumionenleitfähige Block-Co-Polymer kann zum Beispiel ein Block-Co-Polymer aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Polymer, beispielsweise Polyethylenoxid, und mindestens einem mechanisch stabilisierenden Polymer, beispielsweise Polystyrol und/oder Polyacrylat, zum Beispiel mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Co-Polymer und/oder mindestens ein Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Co-Polymer, umfassen oder sein. Zum Beispiel kann die Separatorschicht eine unter dem Handelsnamen DryLyte bekannte Separatorschicht sein.
  • Die Separatorschicht kann insbesondere eine größere durchschnittliche Schichtdicke als die Trennschicht aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Separatorschicht eine durchschnittliche Schichtdicke (D) in einem Bereich von ≥ 0,5 µm bis ≤ 50 µm auf. So kann vorteilhafterweise einerseits eine gute elektrische Isolierung zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht und anderseits dennoch ein möglichst hohe spezifische Energiedichte und damit Leistungsfähigkeit der Zelle erzielt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfassen die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht, beispielsweise die Kathodenschicht und die Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere die Kathodenschicht und die Separatorschicht, voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalze. So können die Lithium-Leitsalze entsprechend ihrer jeweiligen Umgebung optimiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Zelle insgesamt optimiert werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die Kathodenschicht mindestens ein Fluorid-Ionen freisetzendes Lithium-Leitsalz, beispielsweise mindestens ein fluoridhaltiges, Bor und/oder Phosphor basiertes Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Tetrafluoroborat (BF4) und/oder Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6).
  • Bei Fluorid-Ionen freisetzenden Lithium-Leitsalzen, wie Lithium-Tetrafluoroborat (BF4) mit dem chemischen Gleichgewicht: BF4 - ↔ BF3 + F- und/oder Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6) mit dem chemischen Gleichgewicht: PF6 - ↔ PF5 + F-, können vorteilhafterweise die frei gesetzten Fluorid-Ionen (F-) eine Passivierungsschicht auf einem Kathodenstromableiter, beispielsweise aus Aluminium, ausbilden. Eine Passivierung des Kathodenstromableiters kann sich wiederum vorteilhafter auf einen Betrieb der Zelle bei erhöhten Temperaturen auswirken. Daher können Fluorid-Ionen freisetzende Lithium-Leitsalzen besonders vorteilhaft kathodenseitig eingesetzt werden. Bei einer Lithiummetall und/oder einer Lithiummetalllegierung umfassenden Anodenschicht können hingegen Fluorid-Ionen (F-) zu einer hohen Grenzflächen-Impedanz führen. Daher ist die Separatorschicht, insbesondere im Fall einer Lithiummetall und/oder einer Lithiummetalllegierung umfassenden Anodenschicht, vorzugsweise frei von Fluorid-Ionen freisetzenden Lithium-Leitsalzen. So kann der Zellinnenwiderstand und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle optimiert werden.
  • Im Rahmen einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst die Separatorschicht Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI). Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) weist vorteilhafterweise eine relativ stabile CF3-Gruppe auf. So können Fluorid-Ionen anodenseitig vermieden und auf diese Weise der Zellinnenwiderstand und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle optimiert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weisen die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht, beispielsweise die Kathodenschicht und die Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere die Kathodenschicht und die Separatorschicht, voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalz-Konzentrationen auf. So können die Lithium-Leitsalz-Konzentrationen entsprechend ihrer jeweiligen Umgebung optimiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Zelle insgesamt optimiert werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist die Kathodenschicht eine höhere Lithium-Leitsalz-Konzentration als die Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere als die Separatorschicht, auf. Eine höhere kathodenseitige Lithium-Leitsalz-Konzentration kann sich vorteilhaft im Hinblick auf eine Korrosionsunterdrückung und/oder auf ein Ausbilden einer Passivierungsschicht auf einem Kathodenstromableiter, beispielsweise aus Aluminium, auswirken. Zum Beispiel kann die Kathodenschicht eine hohe Lithium-Leitsalz-Konzentration, insbesondere von > 1 M, aufweisen. Eigenschaften von Elektrolyten mit hohen Lithium-Leitsalz-Konzentrationen werden in Energy Environ. Sci., 2014, 7, S. 416-426 beschrieben.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfassen die Kathodenschicht und/oder die Separatorschicht und/oder die Anodenschicht, beispielsweise die Kathodenschicht und die Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere die Kathodenschicht und die Separatorschicht, voneinander unterschiedliche Polymerelektrolyte. Dabei können sich der Polymerelektrolyt der Kathodenschicht und der Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere der Kathodenschicht und der Separatorschicht, zum Beispiel in der Art, Zusammensetzung und Konzentration unterscheiden. So können die Polymerelektrolyte entsprechend ihrer jeweiligen Umgebung optimiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Zelle insgesamt optimiert werden. Durch die Trennschicht kann dabei vorteilhafterweise ein Einstellen eines thermodynamischen Gleichgewichts zwischen den Polymerelektrolyten der Kathodenschicht und der Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere der Kathodenschicht und der Separatorschicht, verhindert und auf dieser Weise unterschiedliche thermodynamische Gleichgewichtskonstanten auf den unterschiedlichen Seiten der Trennschicht realisiert werden.
  • Die Kathodenschicht kann insbesondere mindestens einen Flüssigelektrolyten, beispielsweise aus mindestens einem, insbesondere organischen, Lösungsmittel und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Kathodenschicht lösungsmittelhaltig und die Separatorschicht lösungsmittelfrei. So kann beilsweise eine verbesserte Ratenfähigkeit der Zelle erzielt werden.
  • Im Rahmen einer anderen Ausführungsform sind das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht und/oder der Separatorschicht und/oder der Anodenschicht, beispielsweise das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht und der Separatorschicht und/oder Anodenschicht, insbesondere das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht und der Separatorschicht, zueinander unterschiedlich. So können die Lösungsmittel entsprechend ihrer jeweiligen Umgebung optimiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Zelle insgesamt optimiert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anodeschicht Lithiummetall und/oder eine Lithiummetalllegierung oder ist daraus ausgebildet. So kann eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle erzielt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathodenschicht mindestens ein Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial, beispielsweise mindestens ein oxidisches und/oder Phosphat basiertes Kathodenaktivmaterial, zum Beispiel mindestens ein Schichtoxid und/oder Spinell und/oder Olivin. Zum Beispiel kann die Kathodenschicht mindestens ein Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) und/oder ein Lithium-Mangan- und/oder -Nickel- und/oder Cobalt-Oxid, beispielsweise mindestens ein Nickel-Cobalt-AluminiumOxid (NCA) und/oder ein Lithium-Mangan- und/oder -Nickel- und/oder Cobalt-Schichtoxid, zum Beispiel LiMO2 mit M = Mangan und/oder Nickel und/oder Cobalt, und/oder mindestens ein Lithium-Mangan- und/oder -Nickel- und/oder Cobalt-Spinell, zum Beispiel LiMn2O4 und/oder LiNi0,5Mn1,5O4 und/oder LiMn2-yM'yO4, beispielsweise mit M' = Nickel und/oder Cobalt, und/oder mindestens ein Olivin, beispielsweise mindestens ein Lithium-Eisen- und/oder -Mangan- und/oder -Nickel- und/oder -Cobalt-Phosphat, zum Beispiel LiM"PO4 mit M" = Eisen und/oder Mangan und/oder Cobalt und/oder Nickel, wie LiFePO4 und/oder LiMnPO4 und/oder LiCoPO4 und/oder LiNiPO4, umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Zelle eine Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle.
  • Dabei kann die Separatorschicht insbesondere mindestens einen Festelektrolyten, beispielsweise mindestens einen Polymerelektrolyten, zum Beispiel aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Block-Co-Polymer und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei die Separatorschicht festelektrolythaltig, insbesondere polymerelektrolythaltig, und/oder (gegebenenfalls) lösungsmittelfrei sein.
  • Die Kathodenschicht kann dabei insbesondere mindestens einen Flüssigelektrolyten, beispielsweise aus mindestens einem, insbesondere organischen, Lösungsmittel und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen. Insbesondere kann dabei die Kathodenschicht flüssigelektrolythaltig und/oder lösungsmittelhaltig sein.
  • Die Anodenschicht kann dabei insbesondere Lithiummetall und/oder einer Lithiummetalllegierung umfassen. Insbesondere kann dabei die Anodenschicht aus Lithiummetall und/oder einer Lithiummetalllegierung ausgebildet und/oder lösungsmittelfrei sein.
  • Insbesondere kann die Zelle eine Lithium-Metall- und/oder -Ionen-Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle sein.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
    • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lithium-Zelle; und
    • 2 einen vergrößerten, schematischen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle.
  • 1 zeigt, dass die Lithium-Zelle 10 eine Anodenschicht 11 und eine Kathodenschicht 12 umfasst. Dabei ist zwischen der Anodenschicht 11 und der Kathodenschicht 12 eine Separatorschicht 13 angeordnet. Dabei kann die Kathodenschicht 12 und/oder die Separatorschicht 13 und/oder die Anodenschicht 11 mindestens ein, insbesondere organisches, Lösungsmittel und/oder mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen.
  • Zwischen der Kathodenschicht 12 und der Separatorschicht 13 ist dabei eine Trennschicht angeordnet, welche 14 lithiumionenleitend und undurchlässig für das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht 12 und/oder der Separatorschicht 13 und/oder der Anodenschicht 11 und/oder undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht 12 und/oder der Separatorschicht 13 und/oder der Anodenschicht 11 ist.
  • Die Anodeschicht 11 kann insbesondere Lithiummetall und/oder eine Lithiummetalllegierung umfassen oder daraus ausgebildet sein.
  • Die Kathodenschicht 12 kann beispielsweise mindestens ein Lithium-Interkalations- und/oder -Insertionsmaterial, zum Beispiel ein Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid und/oder ein Lithium-Mangan- und/oder -Nickel- und/oder Cobalt-Oxid und/oder ein Lithium-Eisen- und/oder -Mangan- und/oder -Nickel- und/oder -Cobalt-Phosphat, umfassen.
  • Insbesondere kann die Zelle dabei eine Lithium-Metall-Zelle und Lithium-Ionen-Zelle sein.
  • Die Separatorschicht 13 kann beispielsweise mindestens einen Festelektrolyten, insbesondere mindestens einen Polymerelektrolyten, zum Beispiel aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Block-Co-Polymer, zum Beispiel einem Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Co-Polymer und/oder Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Co-Polymer, und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen.
  • Die Trennschicht 12 kann insbesondere eine Selektivität zum Transport von Lithiumionen Li+ von ≥ 90 %, beispielsweise von ≥ 99 %, zum Beispiel von ≥ 99,9 % oder sogar ≥ 99,99 %, bezogen auf die Summe der Molzahlen der in der Zelle vorliegenden mobilen Spezies insgesamt, aufweisen.
  • Zum Beispiel kann die Trennschicht 14 eine durchschnittliche Schichtdicke d von ≤ 1 µm , insbesondere von ≤ 0,5 µm, aufweisen und Graphen und/oder Graphenoxid, insbesondere vernetztes Graphenoxid, umfassen. Die Separatorschicht 13 kann insbesondere eine durchschnittliche Schichtdicke D aufweisen, welche größer als die durchschnittliche Schichtdicke d der Trennschicht 14 ist. Zum Beispiel kann die Separatorschicht 13 eine durchschnittliche Schichtdicke (D) in einem Bereich von ≥ 0,5 µm bis ≤ 50 µm aufweisen.
  • 2 veranschaulicht, dass dabei die Trennschicht 14 eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von Graphenschichten 14a, beispielsweise mit einer Erstreckung im Mikrometerbereich, zum Beispiel von um etwa 10 µm, aufweisen kann. Dabei können benachbarte Graphenschichten 14a, beispielsweise über Di- oder PolyCarbonsäuren beziehungsweise -ester, untereinander vernetzt sein. Zueinander können dabei die Graphenschichten 14a einen durchschnittlichen Abstand im Angströmbereich, insbesondere von ≤ 15 Å, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 5 Å bis ≤ 15 Å, zum Beispiel von etwa 7 Å oder 8 Å, aufweisen. Zwischen den Graphenschichten 14a kann insbesondere ein Lithium-Leitsalz interkaliert sein. Durch die Vernetzung der Graphenschichten 14a können dabei vorteilhafterweise die Lithium-Leitsalz-Anionen des interkalierten Lithium-Leitsalzes zwischen den Graphenschichten 14a in der Trennschicht 14 festgehalten werden, so dass lediglich die Lithium(kat)ionen Li+ mobil bleiben und dadurch die Trennschicht 14 insgesamt lithiumionenleitend und undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen ist.
  • Dass die Trennschicht 14 lithiumionenleitend und undurchlässig für Lösungsmittel und/oder für Lithium-Leitsalz-Anionen der Zelle ist, ermöglicht, dass die Kathodenschicht 12 und die Separatorschicht 13 voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalze und/oder voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalz-Konzentrationen und/oder voneinander unterschiedliche Lösungsmittel und/oder voneinander unterschiedliche Elektrolyte, beispielsweise voneinander unterschiedliche Polymerelektrolyte beziehungsweise Flüssigelektrolyte oder einerseits einen Flüssigelektrolyten und andererseits einen Polymerelektrolyten, umfassen kann. Zum Beispiel kann die Kathodenschicht 12 mindestens einen Flüssigelektrolyten, insbesondere aus mindestens einem Lösungsmittel und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen und damit lösungsmittelhaltig sein. Die Separatorschicht 13 kann dabei zum Beispiel mindestens einen Polymerelektrolyten, insbesondere aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Block-Co-Polymer und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfassen und (gegebenenfalls) lösungsmittelfrei sein. Insbesondere kann die Zelle 10 so als eine Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle ausgestaltet werden, welche eine flüssigelektrolythaltige und/oder lösungsmittelhaltige Kathodenschicht 12 und eine festelektrolythaltige und/oder (gegebenenfalls) lösungsmittelfreie Separatorschicht 13 aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2015/088451 A1 [0006]
    • US 2016/0141620 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ACS Nano 2016,10, S. 1939-1947 und ACS Nano, 2010, Vol. 4, No. 11, S. 6557-6564 [0022]

Claims (15)

  1. Lithium-Zelle (10), insbesondere Lithium-Metall-Zelle und/oder Lithium-Ionen-Zelle, umfassend - eine Anodenschicht (11) und - eine Kathodenschicht (12), wobei zwischen der Anodenschicht (11) und der Kathodenschicht (12) eine Separatorschicht (13) angeordnet ist, wobei die Kathodenschicht (12) und/oder die Separatorschicht (13) und/oder die Anodenschicht (11) mindestens ein Lösungsmittel und/oder mindestens ein Lithium-Leitsalz umfasst, wobei zwischen der Kathodenschicht (12) und der Separatorschicht (13) eine Trennschicht (14) angeordnet ist, wobei die Trennschicht (14) lithiumionenleitend und undurchlässig für das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht (12) und/oder der Separatorschicht (13) und/oder der Anodenschicht (11) und/oder undurchlässig für Lithium-Leitsalz-Anionen des mindestens einen Lithium-Leitsalzes der Kathodenschicht (12) und/oder der Separatorschicht (13) und/oder der Anodenschicht (11) ist.
  2. Lithium-Zelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Trennschicht (12) eine Selektivität zum Transport von Lithiumionen (Li+) von ≥ 90 %, insbesondere von ≥ 99 %, beispielsweise von ≥ 99,9 % oder ≥ 99,99 %, bezogen auf die Summe der Molzahlen der in der Zelle vorliegenden mobilen Spezies insgesamt, aufweist.
  3. Lithium-Zelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trennschicht (14) Graphen und/oder Graphenoxid, insbesondere vernetztes Graphenoxid, und/oder Lithiumphosphoroxynitrid umfasst.
  4. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trennschicht (14) eine Schichtstruktur aus einer Vielzahl von Graphenschichten (14a) aufweist, wobei benachbarte Graphenschichten (14a) untereinander vernetzt sind und/oder einen durchschnittlichen Abstand zueinander im Angströmbereich, insbesondere von ≤ 15 Å, aufweisen.
  5. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trennschicht (14) mindestens ein Lithium-Leitsalz umfasst, wobei das mindestens eine Lithium-Leitsalz zwischen Graphenschichten (14a) interkaliert ist.
  6. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Trennschicht (14) eine durchschnittliche Schichtdicke (d) von ≤ 1 µm, insbesondere von ≤ 0,5 µm, und/oder die Separatorschicht (13) eine durchschnittliche Schichtdicke (D) in einem Bereich von ≥ 0,5 µm bis ≤ 50 µm aufweist.
  7. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Separatorschicht (13) mindestens ein lithiumionenleitfähiges Block-Co-Polymer, insbesondere mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Co-Polymer und/oder mindestens ein Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Co-Polymer, und mindestens ein Lithium-Leitsalz umfasst.
  8. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathodenschicht (12) und die Separatorschicht (13) voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalze umfassen.
  9. Lithium-Zelle (10) nach Anspruch 8, wobei die Kathodenschicht (12) mindestens ein Fluorid-Ionen freisetzendes Lithium-Leitsalz, insbesondere Lithium-Tetrafluoroborat und/oder Lithium-Hexafluorophosphat, umfasst und/oder wobei die Separatorschicht (13) Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid umfasst.
  10. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kathodenschicht (12) und die Separatorschicht (13) voneinander unterschiedliche Lithium-Leitsalz-Konzentrationen aufweisen, insbesondere wobei die Kathodenschicht (12) eine höhere Lithium-Leitsalz-Konzentration als die Separatorschicht (13) aufweist.
  11. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kathodenschicht (12) und die Separatorschicht (13) voneinander unterschiedliche Polymerelektrolyte umfassen.
  12. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kathodenschicht (12) lösungsmittelhaltig und die Separatorschicht (13) lösungsmittelfrei ist oder wobei das mindestens eine Lösungsmittel der Kathodenschicht (12) und der Separatorschicht (13) unterschiedlich zueinander sind.
  13. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Anodeschicht (11) Lithiummetall und/oder eine Lithiummetalllegierung umfasst.
  14. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Kathodenschicht (12) mindestens ein Lithium-Interkalations- und/oder-Insertionsmaterial, insbesondere mindestens ein Schichtoxid und/oder Spinell und/oder Olivin, umfasst.
  15. Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Zelle (10) eine Festelektrolyt-Flüssigelektrolyt-Hybrid-Zelle ist, insbesondere wobei die Kathodenschicht (12) mindestens einen Flüssigelektrolyten, insbesondere aus mindestens einem Lösungsmittel und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfasst und/oder flüssigelektrolythaltig und/oder lösungsmittelhaltig ist und wobei die Separatorschicht (13) mindestens einen Festelektrolyten, insbesondere mindestens einen Polymerelektrolyten, beispielsweise aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen Block-Co-Polymer und mindestens einem Lithium-Leitsalz, umfasst und/oder festelektrolythaltig, insbesondere polymerelektrolythaltig, und/oder lösungsmittelfrei ist.
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