DE102018205405A1 - Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basierte Kathode für eine Lithium-Zelle - Google Patents

Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basierte Kathode für eine Lithium-Zelle Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode (10) für eine Lithium-Zelle (100), insbesondere für eine Lithium-Feststoff-Zelle. Um die Kapazität und Energiedichte sowie insbesondere auch die Leistungsdichte, Ratenfähigkeit, Zyklenstabilität, Sicherheit und/oder Lebensdauer einer damit ausgestatteten Zelle auf einfache Weise zu erhöhen, umfasst die Kathode (10) mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat, insbesondere als Kathodenaktivmaterial, und mindestens einen Festelektrolyten. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine derartige Zelle (100) und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kathode (10) und Zelle (100).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Feststoffzelle, eine derartige Zelle und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kathode und Zelle.
  • Stand der Technik
  • Elektrische Energie kann mittels Batterien gespeichert werden. Hierbei wird zwischen Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. Eine Batterie umfasst dabei eine oder mehrere (Batterie-)Zellen.
  • In Sekundärbatterien beziehungsweise Akkumulatoren finden insbesondere sogenannte Lithium-Zellen Verwendung. Diese zeichnen sich - verglichen mit anderen Sekundärbatteriesystemen - durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine geringe Selbstentladung aus und kommen daher unter anderem in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV), Hybridfahrzeugen (Hybride Electric Vehicle, HEV) sowie Plug-In-Hybridfahrzeugen (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) zum Einsatz.
  • Lithium-Zellen weisen eine Kathode, welche auch als positive Elektrode bezeichnet wird, und eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet wird, auf.
  • In der Kathode werden üblicherweise Metalloxide als Kathodenaktivmaterial verwendet. Derartige Zellen werden üblicherweise als Lithium-Ionen-Zellen bezeichnet. Es können jedoch auch andere chemische Komponenten, zum Beispiel auf der Basis von Schwefel, als Kathodenaktivmaterialien verwendet werden. Derartige Zellen werden üblicherweise als Lithium-Schwefel-Zellen bezeichnet.
  • In der Anode werden herkömmlicherweise Lithium-Insertions- und/oder - Interkalationsmaterialien als Anodenaktivmaterial verwendet.
  • Darüber hinaus umfassen herkömmliche Lithium-Zellen in der Regel einen Flüssigelektrolyten.
  • Die Druckschriften JP 2013-077377 A , JP 2015-64992 A und US 2013/026025 A1 betreffen Lithium-Zellen mit Lithium-Vanadium-Phosphaten als Kathodenaktivmaterial ien.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kathode für eine Lithium-Zelle, insbesondere für eine Lithium-Feststoff-Zelle. Dabei kann die Kathode insbesondere auch als positive Elektrode bezeichnet werden.
  • Insbesondere umfasst die Kathode dabei mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat, insbesondere als Kathodenaktivmaterial, und mindestens einen Festelektrolyten.
  • Unter einem Festelektrolyten kann insbesondere ein Elektrolyt verstanden werden, welcher mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes, insbesondere festes, Polymer und/oder anorganisches Material sowie Lithiumionen, gegebenenfalls in Form mindestens eines Lithium-Leitsalzes, umfasst. Ein Festelektrolyt, welcher mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes, insbesondere festes, Polymer umfasst beziehungsweise darauf basiert, kann insbesondere auch als Polymerelektrolyt bezeichnet werden.
  • Unter einem lithiumionenleitfähigen Polymer kann insbesondere ein, insbesondere festes, Polymer verstanden werden, welches selbst frei von den zu leitenden Lithiumionen sein kann, jedoch geeignet ist, die zu leitenden Lithiumionen und/oder Gegenionen der zu leitenden Lithiumionen, zum Beispiel Lithium-Leitsalz-Anionen, zu koordinieren und/oder solvatisieren und beispielsweise unter Zugabe der zu leitenden Lithiumionen, zum Beispiel in Form eine Lithium-Leitsalzes und/oder eines einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten, lithiumionenleitend wird. Beispielsweise stellen Polyalkylenoxide, wie Polyethylenoxid, Beispiele für ein lithiumionenleitfähige Polymere dar.
  • Unter einem einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten kann insbesondere ein, insbesondere festes, Polymer verstanden werden, in welchem, insbesondere lediglich, Lithiumionen (Li+) mobil sind und in welchem die andere Ionensorte, insbesondere Gegenionen, zum Beispiel Anionen, beispielsweise Lithium-Leitsalz-Anionen, immobil, insbesondere kovalent gebunden, ist beziehungsweise sind.
  • Bei Polymeren kann die Lithiumionenleitfähigkeit beziehungsweise Lithiumionenleitung insbesondere dadurch bereitgestellt werden, dass diese Gruppen mit freien Elektrodenpaaren, beispielsweise Ethergruppen und/oder Carbonylgruppen und/oder Estergruppen und/oder Carbonatgruppen, zum Beispiel innerhalb einer Hauptkette und/oder Seitenkette des Polymers und/oder als Seitengruppe und/oder Endgruppe, wie zum Beispiel Polyalkylenoxide, beispielsweise Polyethylenoxide, und/oder kovalent gebundene, negativ geladene Gruppen, insbesondere welche als Seitengruppen und/oder Endgruppen kovalent an eine Hauptkette und/oder Seitenkette des Polymers angebunden und/oder innerhalb einer Hauptkette und/oder Seitenkette des Polymers kovalent eingebunden sind, wie zum Beispiel einzellithiumionenleitende Polyelektrolyte, aufweisen.
  • Zum Beispiel können Lithium-Leitsalz enthaltende Polyethylenoxide und/oder Lithium-Leitsalz enthaltende Polyethylenoxid-Block-Co-Polymere und/oder einzellithiumionenleitende Polyelektrolyte und/oder einzellithiumionenleitende Polyelektrolyte enthaltende Block-Co-Polymere und/oder anorganische, beispielsweise keramische und/oder glasartige, Lithiumionenleiter, zum Beispiel sulfidische Lithiumionenleiter, beispielsweise Li2S-P2S5 und/oder Li2S-SiS2-Li3PO4 und/oder Li3P3S11 und/oder Li7P3S11 und/oder Li3,25Ge0,25P0,75S4 und/oder Li10GeP2-S12, und/oder Lithium-Silicate- und/oder -Phosphate, beispielsweise Li3,6Si0,6P0,4O4 und/oder Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, und/oder Lithium-Germanate, beispielsweise Li14Zn(GeO4)4, und/oder Lithium-Titanate, beispielsweise Li0,5La0,5TiO3, und/oder Lithium-Zirkonate, beispielsweise Li7La3Zr2O12, und/oder Lithium-Nitrid, beispielsweise Li3N, Festelektrolyte sein.
  • Lithium-Vanadium-Phosphate können vorteilhafterweise sowohl als Anodenaktivmaterial als auch als Kathodenaktivmaterial eingesetzt und daher auch als amphotere Materialien bezeichnet werden. Dabei können Lithium-Vanadium-Phosphate vorteilhafterweise auch in Kombination mit lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymeren als Festelektrolyt eingesetzt werden. Dies liegt darin begründet, dass Lithium-Vanadium-Phosphate mit maximal 4,15 V eine geringere mittlere Spannung als konventionelle Hochvolt-Kathodenaktivmaterialien, insbesondere auf Schichtoxid-Basis, wie Nickel-Cobalt-Mangan-Oxide (NCM), Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), et cetera, aufweisen können und daher im Gegensatz zu konventionellen (Hochvolt-) Kathodenaktivmaterialien auch in Kombination mit elektrochemisch wenig stabilen lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymeren, insbesondere innerhalb von deren elektrochemisch stabilen Spannungsfenster, eingesetzt werden können und beispielsweise auf diese Weise eine Zersetzung des Festelektrolyten vermieden werden kann. Im Vergleich zu Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), welches eine geringere mittlere Spannung als konventionelle Hochvolt-Kathodenaktivmaterialien und insbesondere auch als Lithium-Vanadium-Phosphat aufweisen kann, kann durch die Verwendung von Lithium-Vanadium-Phosphaten als Kathodenaktivmaterial vorteilhafterweise eine deutlich höhere Kapazität und Energiedichte erzielt werden.
  • Eine Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basierte Kathode kann besonders vorteilhaft in Kombination mit einer metallisches Lithium umfassenden Anode, beispielsweise einer Lithiummetall-Anode, zum Beispiel in Form einer Lithiummetallfolie, eingesetzt werden. Eine darauf beruhende Zelle kann nämlich vorteilhafterweise in einem extrem hohen Potentialbereich, beispielsweise von 0 V bis 4,15 V gegen Li/Li+, betrieben werden. So kann durch Lithium-Vanadium-Phosphate bei einer Delithiierung in einem Potentialbereich von 3-4,15 V gegenüber Li/Li+ eine Kapazität von ~100 mAh/g und bei einer Lithiierung in einem Potentialbereich von 3-0 V gegenüber Li/Li+ eine Kapazität von ~200 mAh/g (siehe Böckenfeld et al., Journal of Power Sources, 235 (2013) 265) und somit in einem Potentialbereich von 0-4,15 V gegenüber Li/Li+ eine Gesamtkapazität von ~300 mAh/g praktisch erreichbar sein, wohingegen durch Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) lediglich eine Gesamtkapazität von etwa 150 mAh/g praktisch erreichbar ist.
  • Dadurch, dass Lithium-Vanadium-Phosphate vorteilhafterweise bis auf 0 V entladen werden können, kann zudem die Sicherheit erhöht und beispielsweise Transportbeschränkungen verringert beziehungsweise aufgehoben werden.
  • Zudem können Lithium-Vanadium-Phosphate vorteilhafterweise eine extrem hohe Ratenfähigkeit aufweisen. Secchiaroli et al. beschreiben beispielsweise in Journal of Power Sources, 275 (2015) 792, dass durch Lithium-Vanadium-Phosphate Raten von 100 C möglich sein können.
  • Weiterhin können Lithium-Vanadium-Phosphate eine hohe Zyklenstabilität aufweisen. Dadurch kann wiederum vorteilhafterweise die Lebensdauer der Zelle verbessert werden.
  • Darüber hinaus können Lithium-Vanadium-Phosphate vorteilhafterweise thermisch stabiler als konventionelle Hochvolt-Kathodenaktivmaterialien, insbesondere auf Schichtoxid-Basis, sein und gegebenenfalls, insbesondere im Gegensatz zu konventionellen Hochvolt-Kathodenaktivmaterialien auf Schichtoxid-Basis, kaum oder keinen Sauerstoff bei höheren Temperaturen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 60 °C bis ≤ 100 °C, freisetzen. Dadurch kann vorteilhafterweise zum Einen die Lebensdauer der Zelle verbessert und zum Anderen auch ein Betrieb einer damit ausgestatteten Zelle bei höheren Temperaturen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 60 °C bis ≤ 100 °C, ermöglicht werden. Durch einen Zellbetrieb bei höheren Temperaturen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 60 °C bis ≤ 100 °C, kann vorteilhafterweise die Lithiumionenleitfähigkeit des mindestens einen Festeelektrolyten erhöht und dadurch die Leistungsdichte einer damit ausgestatteten Zelle deutlich erhöht werden.
  • Weiterhin unterstützt der mindestens eine Festelektrolyt vorteilhafterweise die elektrochemische Reaktion der Zelle durch seine lithiumionenleitenden Eigenschaften und kann dabei zugleich als Binder fungieren. Dabei stellt der mindestens eine Festelektrolyt vorteilhafterweise im Gegensatz zu herkömmlichen als solches nicht-lithiumionenleitfähigen beziehungsweise nicht-lithiumionenleitenden Bindern, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE), kein elektrochemisch inaktives Material dar. So kann wiederum vorteilhafterweise die Energiedichte weiter erhöht werden.
  • Ferner kann der mindestens eine Festelektrolyt - beispielsweise durch ein später erläutertes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren - auf einfache Weise in die Kathode eingebracht und eine komplexe Elektrodenprozessierung vermieden werden.
  • Insgesamt kann so durch die Kombination von mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens einem Festelektrolyten vorteilhafterweise die Kapazität und Energiedichte sowie insbesondere auch die Leistungsdichte, Ratenfähigkeit, Zyklenstabilität, Sicherheit und/oder Lebensdauer einer damit ausgestatteten Zelle auf einfache Weise erhöht werden.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die Kathode eine Mischung aus mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens einem Festelektrolyten. So kann die Kathode auf einfache Weise - beispielsweise durch das später erläuterte Herstellungsverfahren - hergestellt werden.
  • Die Kathode kann insbesondere auf mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat basieren beziehungsweise Lithium-Vanadium-Phosphat-basiert sein. Insbesondere kann die Kathode auf mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens einem Festelektrolyten basieren beziehungsweise Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basiert sein.
  • Das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat kann beispielsweise auf der chemischen Formel: Li2V3(PO4)3 basieren. Dabei können gegebenenfalls Lithium und/oder Vanadium und/oder Phosphor und/oder Sauerstoff jeweils teilweise durch mindestens ein anderes Element, beispielsweise durch mindestens ein anderes Metall beziehungsweise durch mindestens ein anderes Nichtmetall, substituiert sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Festelektrolyt mindestens einen Polymerelektrolyten und/oder mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Lithiumionenleiter, zum Beispiel mindestens einen sulfidische Lithiumionenleiter, wie Li2S-P2S5 und/oder Li2S-SiS2-Li3PO4 und/oder Li3P3S11 und/oder Li7P3S11 und/oder Li3,25Ge0,25P0,75S4 und/oder Li10GeP2-S12, und/oder mindestens ein Lithium-Silicat- und/oder -Phosphat, beispielsweise Li3,6Si0,6P0,4O4 und/oder Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, und/oder mindestens ein Lithium-Germanat, beispielsweise Li14Zn(GeO4)4, und/oder mindestens ein Lithium-Titanat, beispielsweise Li0,5La0,5TiO3, und/oder mindestens ein Lithium-Zirkonat, beispielsweise Li7La3Zr2O12, und/oder Lithium-Nitrid, beispielsweise Li3N, oder eine Mischung daraus.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer. Zum Beispiel kann der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein Polyalkylenoxid, beispielsweise mindestens ein Polyethylenoxid, und/oder mindestens einen einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein Block-Copolymer auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymers. Beispielsweise kann der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein Block-Copolymer aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymer und mindestens einem weiteren Polymer umfassen oder sein. Zum Beispiel kann der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Copolymer und/oder mindestens eine Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Copoylmer, zum Beispiel ein unter dem Handelsnamen Drylite erhältliches Block-Copolymer, und/oder mindestens ein, mindestens einen einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten umfassendes Block-Co-Polymer umfassen oder sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, weiterhin mindestens ein Lithium-Leitsalz. Beispielsweise kann der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, weiterhin Lithium-Perchlorat (LiClO4) und/oder Lithium-Tetrafluoroborat (LiBF4) und/oder Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6) und/oder Lithium-Hexafluoroarsenat (LiAsF6) und/oder Lithium-Trifluormethansulfonat (Lithium-Triflat, LiSO3CF3) und/oder Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(SO2CF3)2) und/oder Lithium-Bis(perfluorethan)sulfonylimid (LiN(SO2C2F5)2) und/oder Lithium-Bisoxalatoborat (LiB(C2O4)2) und/oder Lithium-Bisfluorooxalatoborat (LiBF2(C2O4)) und/oder Lithium-Trifluorotri(perfluorethan)phosphat (LiPF3(CF3CF2)3) oder eine Mischung daraus, insbesondere als Lithium-Leitsalz, umfassen. Der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, kann insbesondere weiterhin mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen, insofern der mindestens eine Polymerelektrolyt - gegebenenfalls lediglich - mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer und/oder Block-Co-Polymer davon umfasst. Durch das mindestens eine Lithium-Leitsalz kann das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer vorteilhafterweise lithiumionenleitend werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kathode weiterhin mindestens ein elektrisches Leitmittel, beispielsweise mindestens ein elektrisches Leitadditiv. Insbesondere kann das mindestens eine elektrische Leitmittel beziehungsweise Leitadditiv mindestens ein elektrisches Leitmittel beziehungsweise Leitadditiv auf Kohlenstoff-Basis, zum Beispiel (Leit-)Ruß und/oder (Leit-)Graphit, umfassen oder sein. Zum Beispiel kann die Kathode eine Mischung aus mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat, mindestens einem Festelektrolyten und mindestens einem elektrischen Leitmittel umfassen.
  • Gegebenenfalls kann die Kathode weiterhin mindestens ein nichtlithiumionenleitfähiges beziehungsweise nicht-lithiumionenleitendes Polymer, beispielsweise als Binder, zum Beispiel Polyvinylidendifluorid und/oder Polytetrafluorethylen, umfassen.
  • Gegebenenfalls kann der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, weiterhin mindestens ein Elektrolytadditiv, beispielsweise Vinylencarbonat und/oder Vinylethylencarbonat und/oder Fluorethylencarbonat und/oder ein Additiv zur Erhöhung der Lebensdauer der Zelle, umfassen.
  • Beispielsweise kann die Kathode, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, ≥ 40 Gew.-% oder ≥ 45 Gew.-% ≥ 50 Gew.-% an dem mindestens einen Lithium-Vanadium-Phosphat umfassen. Zum Beispiel kann die Kathode, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, ≥ 40 Gew.-% oder ≥ 45 Gew.-% oder ≥ 50 Gew.-% oder ≥ 55 Gew.-% oder ≥ 60 Gew.-% oder ≥ 65 Gew.-% oder ≥ 70 Gew.-% und/oder bis ≤ 95 Gew.-% oder ≤ 90 Gew.-% oder ≤ 85 Gew.-% oder ≤ 80 Gew.-%, beispielsweise ≥ 40 Gew.-% oder ≥ 45 Gew.-% oder ≥ 50 Gew.-% bis ≤ 95 Gew.-% oder ≤ 90 Gew.-%, zum Beispiel ≥ 50 Gew.-% bis ≤ 95 Gew.-%, an dem mindestens einen Lithium-Vanadium-Phosphat umfassen. So kann eine hohe Kapazität und Energiedichte durch die Verwendung des mindestens einen Lithium-Vanadium-Phosphats als Kathodenaktivmaterial bereitgestellt werden.
  • An dem mindestens einen Festelektrolyten kann die Kathode zum Beispiel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, ≥ 1 Gew.-% oder ≥ 2 Gew.-% oder ≥ 3 Gew.-% oder ≥ 4 Gew.-% oder ≥ 5 Gew.-% und/oder bis ≤ 50 Gew.-% oder ≤ 45 Gew.-% oder ≤ 40 Gew.-% oder ≤ 35 Gew.-% oder ≤ 30 Gew.-% oder ≤ 20 Gew.-% oder ≤ 10 Gew.-%, beispielsweise ≥ 5 Gew.-% bis ≤ 50 Gew.-%, umfassen.
  • Gegebenenfalls kann die Kathode, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, > 0,1 Gew.-% und/oder < 5 Gew.-% an dem mindestens einen elektrischen Leitmittel, insbesondere Leitadditiv, beispielsweise an (Leit-)Ruß und/oder (Leit-)Graphit, umfassen.
  • Gegebenenfalls kann die Kathode, bezogen auf das Gesamtgewicht der Kathode, > 0,1 Gew.-% und/oder < 5 Gew.-% an nicht-lithiumionenleitfähigen und/oder nicht-lithiumionenleitenden Polymeren, beispielsweise als Binder, zum Beispiel an Polyvinylidendifluorid und/oder Polytetrafluorethylen, umfassen.
  • Beispielsweise kann eine wie vorstehend beschrieben ausgeführte Kathode in einer im Folgenden erläuterten Zelle eingesetzt und/oder durch ein später erläutertes Verfahren hergestellt werden beziehungsweise sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kathode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Zelle, welche eine Kathode, eine Anode, und einen zwischen der Kathode und der Anode angeordneten Separator umfasst. Dabei kann die Kathode insbesondere auch als positive Elektrode und die Anode insbesondere auch als negative Elektrode bezeichnet werden.
  • Dabei ist die Kathode insbesondere eine wie vorstehend beschrieben ausgeführte Kathode.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Zelle eine Feststoffzelle, beispielsweise Lithium-Vanadium-Phosphat-basierte Feststoffzelle, zum Beispiel eine Feststoffzelle mit einer Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basierten Kathode.
  • Unter einer Feststoffzelle kann insbesondere eine Zelle verstanden werden, welche aus zumindest makroskopisch festen Komponenten aufgebaut ist.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anode metallisches Lithium, insbesondere als Lithiummetall oder Lithiummetalllegierung, oder ist daraus ausgebildet. Insbesondere kann die Anode aus metallischem Lithium, beispielsweise in Form einer Lithiummetall-Anode, zum Beispiel in Form einer Lithiummetallfolie, ausgebildet sein. So kann zum Einen die Energiedichte weiter gesteigert werden. Zum Anderen kann durch eine Kombination einer Kathode, welche mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens einen Festelektrolyten, zum Beispiel in Form einer Polyethylenoxid-Lithium-Leitsalz-Mischung, umfasst, mit einer Lithiummetall-Anode eine Zelle ausgebildet werden, welche vorteilhafterweise in einem extrem hohen Potentialbereich, beispielsweise von 0 V bis 4,15 V gegen Li/Li+, betrieben werden kann.
  • Der Separator kann beispielsweise mindestens einen Festelektrolyten, zum Beispiel mindestens einen Polymerelektrolyten und/oder mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Lithiumionenleiter oder eine Mischung daraus, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Durch die mechanische Stabilität eines Separators auf der Basis mindestens eines Festelektrolyten kann bei einer Abscheidung von Lithium an der Anode, insbesondere bei Anoden aus metallischem Lithium, beim Laden der Zelle, einer Lithium-Dendritenbildung entgegengewirkt werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, mindestens ein Polyalkylenoxid, beispielsweise mindestens ein Polyethylenoxid, und/oder mindestens einen einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten umfassen.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, mindestens ein Block-Copolymer auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymers. Beispielsweise kann der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, mindestens ein Block-Copolymer aus mindestens einem lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymer und mindestens einem weiteren Polymer, umfassen oder sein. Zum Beispiel kann der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Copolymer und/oder mindestens eine Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Copoylmer, zum Beispiel ein unter dem Handelsnamen Drylite erhältliches Block-Copolymer, und/oder mindestens ein, mindestens einen einzellithiumionenleitenden Polyelektrolyten umfassendes Block-Co-Polymer umfassen oder sein. Derartig ausgestaltete Separatoren haben sich zur Unterdrückung einer Lithium-Dendritenbildung an der Anode als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Weiterhin kann der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, insbesondere mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen. Beispielsweise kann der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, weiterhin Lithium-Perchlorat (LiClO4) und/oder Lithium-Tetrafluoroborat (LiBF4) und/oder Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6) und/oder Lithium-Hexafluoroarsenat (LiAsF6) und/oder Lithium-Trifluormethansulfonat (Lithium-Triflat, LiSO3CF3) und/oder Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(SO2CF3)2) und/oder Lithium-Bis(perfluorethan)sulfonylimid (LiN(SO2C2F5)2) und/oder Lithium-Bisoxalatoborat (LiB(C2O4)2) und/oder Lithium-Bisfluorooxalatoborat (LiBF2(C2O4)) und/oder Lithium-Trifluorotri(perfluorethan)phosphat (LiPF3(CF3CF2)3) oder eine Mischung daraus, insbesondere als Lithium-Leitsalz, umfassen. Der Separator, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt des Separators, kann insbesondere weiterhin mindestens ein Lithium-Leitsalz umfassen, insofern der mindestens eine Polymerelektrolyt - gegebenenfalls lediglich - mindestens ein lithiumionenleitfähiges Polymer und/oder Block-Co-Polymer davon umfasst. Durch das mindestens eine Lithium-Leitsalz kann das mindestens eine lithiumionenleitfähige Polymer vorteilhafterweise lithiumionenleitend werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode und dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kathode und/oder einer erfindungsgemäßen Zelle.
  • In dem Verfahren werden, beispielsweise in einem Verfahrensschritt a1), mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens ein Festelektrolyt, insbesondere mindestens ein Polymerelektrolyt, beispielsweise mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer und gegebenenfalls mindestens ein Lithium-Leitsalz, insbesondere in einem Mischer, (miteinander) gemischt. Gegebenenfalls kann, insbesondere in Verfahrensschritt a1), mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat, mindestens ein Festelektrolyten und gegebenenfalls mindestens ein Lithium-Leitsalz und gegebenenfalls mindestens ein elektrischen Leitmittel, beispielsweise Leitadditiv, zum Beispiel auf Kohlenstoff-Basis, wie (Leit-)Ruß, (miteinander) gemischt werden. Das Mischen kann dabei beispielsweise durch einen Mischer mit einer dual asymmetrischen Zentrifugalkraft, zum Beispiel durch einen Speedmixer und/oder durch eine Schwingmühle und/oder durch eine Zentrifugalmühle und/oder durch eine Jetmühle, durchgeführt werden. So kann vorteilhafterweise ein schnelles und effizientes Mischen der Materialien erzielt werden.
  • Beispielsweise in einem Verfahrensschritt a2), wird dann die Mischung, insbesondere unter einer bestimmten Presskraft beziehungsweise unter einem bestimmten Pressdruck und/oder bei einer bestimmten Presstemperatur und/oder für eine bestimmte Presszeit, zum Beispiel durch mindestens eine, beispielsweise beheizbare, Pressvorrichtung, zu einer Kathode gepresst. Das Pressen kann insbesondere bei einer Temperatur im Bereich der Schmelz- und/oder der Erweichungstemperatur des mindestens einen Festelektrolyten, insbesondere des mindestens einen Polymerelektrolyten, beispielsweise des mindestens einen lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymers, erfolgen. Die bestimmte Presskraft beziehungsweise der bestimmte Pressdruck kann dabei insbesondere abhängig von der Festigkeit des eingesetzten Festelektrolyten, insbesondere Polymerelektrolyten, beispielsweise des mindestens einen lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymers, sein.
  • Dabei kann das Pressen mittels Einbringen der Mischung in ein Pressareal, beispielsweise einen Pressbehälter, mindestens einer, beispielsweise beheizten, Pressvorrichtung erfolgen. So kann die Kathode beispielsweise in Form einer selbsttragenden Schicht, zum Beispiel in Form eines selbsttragenden Films, ausgebildet werden.
  • Alternativ dazu kann die Mischung auch auf einen Stromableiter, beispielsweise in Form einer Folie, aufgebracht werden. Dabei kann das Pressen beispielsweise mittels eines Kalanders durchgeführt werden. So kann die Kathode direkt auf den Stromableiter laminiert werden.
  • Das Pressen der Mischung zu einer Kathode kann gegebenenfalls auch in zwei oder mehr Schritten erfolgen. Zum Beispiel kann die Mischung, beispielsweise in Verfahrensschritt a2), zum Beispiel in einem Verfahrensschritt a2'), beispielsweise durch eine, insbesondere beheizbare, Pressvorrichtung, insbesondere unter einer bestimmten Presskraft beziehungsweise unter einem bestimmten Pressdruck und/oder bei einer bestimmten Presstemperatur und/oder für eine bestimmte Presszeit, zunächst zu einer Pille oder Scheibe, beispielsweise welche eine höhere Schichtstärke als die (herzustellende) Kathode aufweist, gepresst werden. Die Pille oder Scheibe kann dann, beispielsweise in Verfahrensschritt a2), zum Beispiel in einem Verfahrensschritt a2"), beispielsweise durch eine, insbesondere beheizbare, Pressvorrichtung, zum Beispiel durch einen Kalander mit beheizten Walzen, insbesondere unter einer bestimmten Presskraft beziehungsweise unter einem bestimmten Pressdruck und/oder bei einer bestimmten Presstemperatur und/oder für eine bestimmte Presszeit, weiter, beispielsweise bis zum Erreichen einer gewünschten beziehungsweise bestimmten Schichtstärke für die (herzustellende) Kathode, zur Kathode gepresst, beispielsweise kalandriert, werden.
  • Die Herstellung der Kathode kann insbesondere durch einen Trockenprozess erfolgen. Zum Beispiel können, insbesondere in Verfahrensschritt a1), das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat und der mindestens eine Festelektrolyt (und gegebenenfalls das mindestens eine elektrischen Leitmittel) insbesondere trocken (miteinander) gemischt und, insbesondere in Verfahrensschritt a2) die Mischung insbesondere trocken zu einer Kathode gepresst werden.
  • Vor dem Mischen, beispielsweise in einem dem Verfahrensschritt a1) vorgeschalteten Verfahrensschritt a0), können das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat und/oder der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, beispielsweise das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer und/oder gegebenenfalls das mindestens eine Lithium-Leitsalz, und/oder gegebenenfalls das mindestens eine elektrische Leitmittel, zum Beispiel in einem Vakuumtrockenofen, vorgetrocknet werden. Das Trocken kann dabei insbesondere bei einer Temperatur unterhalb der Schmelz- und/oder der Erweichungstemperatur des mindestens einen Festelektrolyten, insbesondere des mindestens einen Polymerelektrolyten, beispielsweise des mindestens einen lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymers, erfolgen. So kann Restfeuchte, welche sich im späteren Verlauf der Verarbeitung und/oder in der Funktionsweise der Zelle nachteilig auswirken könnte, eliminiert werden.
  • Gegebenenfalls können vor dem Mischen, beispielsweise in einem dem Verfahrensschritt a1) vorgeschalteten Verfahrensschritt a0*), beispielsweise welcher dem Verfahrensschritt a0) vorgeschaltet oder gegebenenfalls auch nachgeschaltet sein kann, der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, beispielsweise das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer und/oder gegebenenfalls das mindestens eine Lithium-Leitsalz, und/oder das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat und/oder gegebenenfalls das mindestens eine elektrische Leitmittel, zum Beispiel mit einem Sieb mit einer bestimmten Maschenweite, gesiebt werden. So kann eine definierte Partikelfraktion, beispielsweise Polymerpartikelfraktion, erhalten werden.
  • Die vorgetrockneten und/oder gesiebten Materialien können dann - beispielsweise abgewogen - und gemeinsam in den Mischer beziehungsweise Verfahrensschritt a1) überführt werden.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung wird das Mischen, beispielsweise in Verfahrensschritt a1), als Mischabfolge durchgeführt. Beispielsweise kann dabei zunächst der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, insbesondere das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, mit dem mindestens einen elektrischen Leitmittel, beispielsweise bei einer bestimmten Geschwindigkeit für einen bestimmten Zeitraum, insbesondere in dem Mischer, zu einer Mischung gemischt werden. Danach kann beispielsweise das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat, beispielsweise bei einer bestimmten Geschwindigkeit für einen bestimmten Zeitraum, insbesondere in dem Mischer, mit der Mischung vermischt werden. Danach, gegebenenfalls in einem letzten Schritt der Mischabfolge, kann zum Beispiel das mindestens eine Lithium-Leitsalz, beispielsweise bei einer bestimmten Geschwindigkeit für einen bestimmten Zeitraum, insbesondere in dem Mischer, mit der Mischung vermischt werden. So kann vorteilhafterweise eine Mischung in Form eines trocken homogenisierten Pulvers erhalten werden.
  • Eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Kathode kann durch chemische Analyse, zum Beispiel mittels Kernresonanzspektroskopie (NMR), analysiert werden.
  • Zur Herstellung einer Zelle kann die Kathode, beispielsweise in einem dem Verfahrensschritt a2) nachgeschalteten Verfahrensschritt a3), mit einem wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle beschrieben ausgestalteten Separator, beispielsweise auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen Polymers, zum Beispiel mindestens eines Polyalkylenoxid, wie Polyethylenoxid, und/oder auf der Basis eines Block-Co-Polymers, und mit einer wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle beschrieben ausgestalteten Anode, beispielsweise auf Basis von metallischem Lithium, beispielsweise in Form einer Lithiummetall-Anode, zum Beispiel in Form einer Lithiummetallfolie, zu einer Zelle verbaut werden. Dabei können die Kathode, der Separator und die Anode beispielsweise, insbesondere unter einer bestimmten Presskraft beziehungsweise unter einem bestimmten Pressdruck und/oder bei einer bestimmten Presstemperatur und/oder für eine bestimmte Presszeit, zum Beispiel durch mindestens eine, beispielsweise beheizbare, Pressvorrichtung, miteinander verpresst werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kathode und der erfindungsgemäßen Zelle sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Figurenliste
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
    • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lithium-Zelle.
  • 1 zeigt eine Lithium-Zelle 100, insbesondere eine Lithium-Feststoffzelle, mit einer Kathode 10, einer Anode 20 und einem zwischen der Kathode 10 und der Anode 20 angeordneten Separator 30. Dabei umfasst die Kathode 10 eine Mischung aus mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat, insbesondere als Kathodenaktivmaterial, und mindestens einem Festelektrolyten. Gegebenenfalls kann die Kathode 10 weiterhin mindestens eine elektrisches Leitmittel, insbesondere Leitadditiv, umfassen. Die Anode 20 kann beispielsweise aus metallischem Lithium ausgebildet sein. Der Separator 30 kann beispielsweise aus einem mit einem Lithium-Leitsalz versetzten Block-Copolymer auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymers, zum Beispiel aus einem mit einem Lithium-Leitsalz versetzten Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Copolymer und/oder Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Copoylmer, ausgebildet sein. Derartige Separatoren 30 haben sich zur Unterdrückung einer Lithium-Dendritenbildung an der Anode 20 als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Ausführungsbeispiel
  • Herstellung einer Lithium-Vanadium-Phosphat- und Festelektrolyt-basierten Feststoff- Kathode
  • Zunächst kann mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), sowie gegebenenfalls mindestens ein Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), beispielsweise mit einem Sieb mit einer Maschenweite von etwa 130 µm, gegebenenfalls gesiebt werden, um eine definierte Partikelfraktion zu erhalten.
  • Um Restfeuchte zu entfernen, werden das mindestens ein lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), beispielsweise für etwa 50 h bei etwa 50 °C, und gegebenenfalls das mindestens eine Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), beispielsweise für etwa 100 h bei etwa 150 °C, und mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat, zum Beispiel Li3V2(PO4)3, beispielsweise für etwa 100 h bei etwa 150 °C, in einem Vakuumtrockenofen, beispielsweise bei etwa 10-5 mbar, getrocknet.
  • Dann wird zu Beginn einer Mischabfolge zunächst das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), mit mindestens einem elektrischen Leitmittel, zum Beispiel (Leit-)Ruß, beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von etwa 1500 rpm für etwa 5 min, in einem Mischer, beispielsweise welcher nach dem Prinzip der dualen asymmetrischen Zentrifuge arbeitet, gemischt. Anschließend wird das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat, zum Beispiel Li3V2(PO4)3, zugegeben und ebenfalls, beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von etwa 1500 rpm für etwa 5 min, gemischt. Das mindestens eine Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), wird danach, gegebenenfalls in einem letzten Schritt, beispielsweise bei etwa 1500 rpm, in dem Mischer mit der Mischung vermischt. Beispielsweise können dabei, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung beziehungsweise der (herzustellenden) Kathode, ≥ 40 Gew.-% bis ≤ 90 Gew.-%, an dem mindestens einen Lithium-Vanadium-Phosphat, ≥ 5 Gew.-% bis ≤ 50 Gew.-% in Summe an dem mindestens einen lithiumionenleitfähigen oder lithiumionenleitenden Polymer und dem mindestens einen Lithium-Leitsalz und damit an dem daraus ausgebildeten Festelektrolyten, insbesondere Polymerelektrolyten, und > 0,1 Gew.-% und/oder < 5 Gew.-% an dem mindestens einen elektrischen Leitmittel, eingesetzt beziehungsweise miteinander vermischt werden. Zum Beispiel können das mindestens eine Lithium-Vanadium-Phosphat, zum Beispiel Li3V2(PO4)3, das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), das mindestens eine Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), und das mindestens eine elektrische Leitmittel, zum Beispiel (Leit-)Ruß, in einem Verhältnis von 41,95:33,94:19,82:4,29 Volumenprozent eingesetzt beziehungsweise miteinander vermischt werden. Nach Beendigung des Mischvorgangs kann so eine Mischung in Form eines trocken homogenisierten Pulvers erhalten werden.
  • Die Mischung wird dann in eine beheizbare Pressvorrichtung, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 16 mm, eingefüllt und zu einer Pille, beispielsweise mit einer Schichtstärke von etwa 2 mm, zum Beispiel bei etwa 80°C, gepresst. Zum Beispiel kann dabei der Pressdruck etwa 15 Tonnen und die Presszeit etwa 3 min betragen.
  • Dann wird die Pille in einem Kalander auf eine finale Schichtdicke, beispielsweise von etwa 100 µm, kalandriert. Hierzu werden die Walzen des Kalanders, beispielsweise auf 100°C, geheizt und der Walzenabstand, beispielsweise um jeweils 100 µm, verringert, bis die entsprechende Schichtstärke erreicht wird.
  • Herstellung eines Feststoff-Separators
  • Zunächst kann mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), sowie gegebenenfalls mindestens ein Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), beispielsweise mit einem Sieb mit einer Maschenweite von etwa 130 µm, gegebenenfalls gesiebt werden, um eine definierte Partikelfraktion zu erhalten.
  • Um Restfeuchte zu entfernen, werden das mindestens ein lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), beispielsweise für 50 h bei 50°C, und das mindestens eine Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), beispielsweise für 100 h bei 150°C, in einem Vakuumtrockenofen, beispielsweise bei 10-5 mbar, getrocknet.
  • Dann werden das mindestens eine lithiumionenleitfähige oder lithiumionenleitende Polymer, zum Beispiel Polyethylenoxid (PEO), und das mindestens eine Lithium-Leitsalz, zum Beispiel Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid (LiTFSI), beispielsweise in einem molaren Verhältnis von 10:1, in einem Mischer, beispielsweise welcher nach dem Prinzip der dualen asymmetrischen Zentrifuge arbeitet, zum Beispiel 5 min bei 500 rpm und 5 min bei 1000 rpm, miteinander vermischt. Nach Beendigung des Mischvorgangs kann so eine Mischung in Form eines trocken homogenisierten Pulver erhalten werden.
  • Die Mischung wird dann in eine beheizbare Pressvorrichtung, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 16 mm, eingefüllt und zu einer Pille, beispielsweise mit einer Schichtstärke von etwa 2 mm, zum Beispiel bei Raumtemperatur, gepresst. Zum Beispiel kann dabei der Pressdruck etwa 15 Tonnen und die Presszeit etwa 3 min betragen.
  • Dann wird die Pille in einem Kalander auf eine finale Schichtdicke, beispielsweise von etwa 100 µm, kalandriert. Hierzu werden die Walzen des Kalanders, beispielsweise auf 100°C, geheizt und der Walzenabstand, beispielsweise um jeweils 100 µm, verringert, bis die entsprechende Schichtstärke erreicht wird.
  • Herstellung einer Feststoff-Zelle
  • Die so hergestellte Feststoff-Kathode wird mit dem so hergestellten Feststoff-Separator oder mit einem entsprechenden Feststoff-Separator auf Basis eines, beispielsweise unter dem Handelsnamen Drylite erhältlichen, Block-Copolymers sowie mit einer, beispielsweise etwa 60 |jm dicken, Lithiummetallfolie, beispielsweise bei etwa 110 °C und einem Druck von etwa 10 Tonnen für etwa 3 min, miteinander verpresst und anschließend in einem, insbesondere wasserdichten, Zellgehäuse verbaut.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2013077377 A [0008]
    • JP 2015064992 A [0008]
    • US 2013026025 A1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Böckenfeld et al., Journal of Power Sources, 235 (2013) 265 [0017]
    • Secchiaroli et al. beschreiben beispielsweise in Journal of Power Sources, 275 (2015) 792 [0019]

Claims (11)

  1. Kathode (10) für eine Lithium-Zelle (100), insbesondere für eine Lithium-Feststoff-Zelle, umfassend mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat, insbesondere als Kathodenaktivmaterial, und mindestens einen Festelektrolyten.
  2. Kathode (10) nach Anspruch 1, wobei die Kathode (10) eine Mischung aus mindestens einem Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens einem Festelektrolyten umfasst.
  3. Kathode (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Festelektrolyt mindestens einen Polymerelektrolyten und/oder mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Lithiumionenleiter oder eine Mischung daraus umfasst.
  4. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer, umfasst.
  5. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Festelektrolyt mindestens ein Block-Copolymer auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymers, insbesondere mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Copolymer und/oder mindestens eine Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Copoylmer, umfasst.
  6. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Festelektrolyt, insbesondere der mindestens eine Polymerelektrolyt, weiterhin mindestens ein Lithium-Leitsalz, insbesondere Lithium-Perchlorat und/oder Lithium-Tetrafluoroborat und/oder Lithium-Hexafluorophosphat und/oder Lithium-Hexafluoroarsenat und/oder Lithium-Trifluormethansulfonat und/oder Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonylimid und/oder Lithium-Bis(perfluorethan)sulfonylimid und/oder Lithium-Bisoxalatoborat und/oder Lithium-Bisfluorooxalatoborat und/oder Lithium-Trifluorotri(perfluorethan)phosphat oder eine Mischung daraus, umfasst.
  7. Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kathode (10) weiterhin mindestens ein elektrisches Leitmittel, insbesondere mindestens ein elektrisches Leitmittel auf Kohlenstoff-Basis, umfasst.
  8. Lithium-Zelle (100), insbesondere Feststoffzelle, umfassend eine Kathode (10), eine Anode (20) und einen zwischen der Kathode (10) und der Anode (20) angeordneten Separator (30), wobei die Kathode (10) eine Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
  9. Lithium-Zelle (100) nach Anspruch 8, wobei die Anode (20) metallisches Lithium, insbesondere als Lithiummetall, umfasst.
  10. Lithium-Zelle (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Separator (30) mindestens ein lithiumionenleitfähiges oder lithiumionenleitendes Polymer, insbesondere mindestens ein Block-Copolymer auf der Basis mindestens eines lithiumionenleitfähigen und/oder lithiumionenleitenden Polymers, insbesondere mindestens ein Polyethylenoxid-Polystyrol-Block-Copolymer und/oder mindestens eine Polyethylenoxid-Polyacrylat-Block-Copoylmer, umfasst.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Kathode (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eine Lithium-Zelle (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem mindestens ein Lithium-Vanadium-Phosphat und mindestens ein Festelektrolyt, insbesondere trocken, gemischt werden und die Mischung, insbesondere trocken, zu einer Kathode (10) gepresst wird.
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