DE102019102589A1

DE102019102589A1 - Erfindung betrifft ein Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten

Info

Publication number: DE102019102589A1
Application number: DE102019102589.3A
Authority: DE
Inventors: Richard Hans Schneider; Heike Stöffler
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten und ferner einen Satz bzw. ein Kit zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Behältnisses. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Behältnisses zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten und die Verwendung eines Behältnisses als Zelle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Satz bzw. ein Kit zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Behältnisses. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Behältnisses zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten und die Verwendung eines Behältnisses als Zelle.
Eine Möglichkeit, Lithium-Ionen-Batterien sicherer zu machen, ist die Verwendung von Feststoffelektrolyten. Feststoffbatterien (ASSB) mit Feststoffelektrolyten enthalten keinen flüssigen Elektrolyten und bergen somit nicht die Gefahr von Leckagen oder Brennbarkeit. Sulfidische Feststoffelektrolyte sind zur Herstellung von Dickschichtbatterien besonders gut geeignet. Im Gegensatz zu den oxidischen Feststoffelektrolyten ist es bei sulfidischen Feststoffelektrolyten möglich, durch einfaches Pressen der Komponenten und ohne Sinterung ein dichtes Pellet („Feststoffelektrolytpellet“) zu erhalten, das einen guten Kontakt zwischen den Partikeln des Pellets aufweist. Die Durchführung elektrochemischer Untersuchungen an einer ASSB erfordert ein neues Zelldesign, da die Verwendung gängiger Knopfzellen oder Swagelokzellen aufgrund des zu geringeren Druckes in diesen Zellen nicht möglich ist.
Ein Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten erfüllt vorzugsweise folgende Voraussetzungen:

Die Bestandteile von Feststoffbatterien, beispielsweise Lithium und sulfidische Feststoffelektrolyten, sind luftempfindlich. Daher ist Luftdichtigkeit des Behältnisses erstrebenswert.

Ein guter Kontakt zwischen den Partikeln des sulfidischen Feststoffelektrolytes kann durch einen hohen Druck auf dem Feststoffelektrolytpellet erreicht werden. Daher ist wichtig, dass das Behältnis einen hohen Druck auf das Feststoffelektrolytpellet ausüben kann. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erlangen, sollte der Druck definierbar und einstellbar sein. Die Feststoffelektrolyten müssen für verschiedenste Applikationen getestet werden. Daher ist wünschenswert, dass das Behältnis klein und leicht ist, um es an verschiedenen Positionen anbringen zu können, z.B. in Klimaschränken etc.
Untersuchungen sollten auch bei hohen Temperaturen oder der Anwesenheit von Chemikalien durchführbar sein. Daher ist erstrebenswert, dass das Behältnis eine Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aufweist.
Letztlich ist eine umfassende Analyse des Feststoffelektrolyten und dessen Veränderungen nach mehreren Ent- und Aufladezyklen insbesondere dann möglich, wenn das Feststoffelektrolytpellet aus dem Behältnis ausgebaut werden kann, ohne dabei zerstört zu werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Behältnis anzugeben, das luftdicht, klein und leicht ist. Außerdem soll das Behältnis einen gleichmäßigen, definierbaren und einstellbaren, hohen Druck auf das Feststoffelektrolytpellet ausüben können. Es soll möglich sein, dass das Feststoffelektrolytpellet aus dem Behältnis ausgebaut wird, ohne dabei zerstört zu werden. Daneben soll das Behältnis möglichst eine gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aufweisen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, einen Satz bzw. ein Kit zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Behältnisses und eine Verwendung des Behältnisses anzugeben.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser Aufgaben durch ein Behältnis nach Anspruch 1 gelöst. Mit Blick auf den Satz bzw. das Kit wird die Aufgabe nach Anspruch 11 gelöst. Mit Blick auf die Verwendung wird die Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 12 und 14 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten anzugeben, das vorzugsweise

- eine Wandung, ein erstes Abschlusselement, wobei das erste Abschlusselement mittels Befestigungsschrauben an der Wandung befestigt ist, und ein zweites Abschlusselement, wobei das zweite Abschlusselement mittels

Befestigungsschrauben an der Wandung befestigt ist, umfasst. Die Wandung, das erste und das zweite Abschlusselement sind bevorzugt derart ausgebildet, dass zwischen der Wandung und dem ersten und dem zweiten Abschlusselement ein Innenraum ausgebildet ist. Das Behältnis ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung Innengewinde zur Befestigung des ersten Abschlusselementes und Innengewinde zur Befestigung des zweiten Abschlusselementes mittels der Befestigungsschrauben aufweist, in dem Innenraum ein Kolben zur Beaufschlagung von Druck auf ein Feststoffelektrolytpellet in dem Innenraum angeordnet ist,
das erste Abschlusselement ein Innengewinde für eine Anpressschraube zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben und das Feststoffelektrolytpellet aufweist, das Behältnis die Anpressschraube zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben und/oder das Feststoffelektrolytpellet umfasst, wobei die Anpressschraube über das Innengewinde des ersten Abschlusselementes an dem ersten Abschlusselement befestigt ist, und
der Druck auf den Kolben und das Feststoffelektrolytpellet über die Anpressschraube einstellbar ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Innengewinde innerhalb der Wandung zu einem deutlich kompakteren und leichteren Bau des Behältnisses führen, verglichen mit dem Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Kolben zu einem gleichmäßigen Druck auf dem Pellet führt. Ferner ist vorteilhaft, dass der Druck auf den Kolben und das Feststoffelektrolytpellet über die Anpressschraube in dem Deckel einstellbar ist, d.h. definierbar bzw. berechenbar ist. Somit können reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden. Ein hoher Druck auf das Feststoffelektrolytpellet wird durch die Anpressschraube, das Innengewinde für die Anpressschraube und den Kolben erreicht, was zu einem guten Kontakt zwischen den Partikeln des (sulfidischen) Feststoffelektrolyten führt. Somit ist das Behältnis besonders gut zur Untersuchung von (sulfidischen) Feststoffelektrolyten geeignet. Außerdem kann das Feststoffelektrolytpellet aus dem Behältnis ausgebaut werden, ohne dabei zerstört zu werden. Mit anderen Worten ist das Behältnis derart ausgebildet, dass ein zerstörungsfreies Entnehmen des Feststoffelektrolytpellets möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die beschriebenen Ausführungsformen können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Gegenstand nicht eindeutig Gegenteiliges ergibt. Die Verben „enthalten“ und „umfassen“ und ihre Konjugationen umfassen auch das Verb „bestehen aus“ und seine Konjugationen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung ein Hohlzylinder bzw. bildet die Wandung einen Hohlzylinder aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Abschlusselement ein Deckel des Behältnisses bzw. bildet einen Deckel des Behältnisses aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Abschlusselement ein Boden des Behältnisses bzw. bildet einen Boden des Behältnisses aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung elektrisch nicht leitfähig.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Abschlusselement, der Kolben, die Anpressschraube, die Befestigungsschrauben, gegebenenfalls der metallische Dichtungsring und gegebenenfalls die Dichtungsschrauben elektrisch leitfähig.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement nicht unmittelbar miteinander verbunden, insbesondere sind das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement in dem Behältnis nicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden. In diesen Ausführungsformen erfolgt eine elektrische Verbindung der Abschlusselemente (und die Bildung einer (galvanischen) Zelle) vorzugsweise über (separate und/oder externe) Mittel zum (elektrischen) Verbinden des ersten und des zweiten Abschlusselementes. Vorzugsweise sind die (separaten und/oder externen) Mittel zum (elektrischen) Verbinden des ersten und des zweiten Abschlusselementes mit Hilfe der Schrauben, insbesondere der Anpressschraube, an dem ersten Abschlusselement und mittels der Schrauben, insbesondere einer Befestigungsschraube, an dem zweiten Abschlusselement befestigt. Über die elektrisch leitfähige Anpressschraube und den elektrisch leitfähigen Kolben wird so über das erste Abschlusselement eine elektrische Verbindung zum Feststoffelektrolytpellet hergestellt.
Auf der anderen Seite erfolgt die elektrische Verbindung zum Feststoffelektrolytpellet über eine elektrisch leitfähige Befestigungsschraube und das elektrisch leitfähige zweite Abschlusselement.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Behältnis Mittel zum (elektrischen) Verbinden des ersten und des zweiten Abschlusselementes, insbesondere mindestens ein Verbindungsstück.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Verbindungsstück außerhalb des Behältnisses angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Behältnis ein Gewicht von 40 g bis 200 g, bevorzugt von 60 g bis 170 g, besonders bevorzugt von 75 g bis 120 g, auf (mit Anpressschraube, Befestigungsschrauben und gegebenenfalls Dichtungsschrauben, aber ohne (separate) Verbindungsmittel der Abschlusselemente).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Behältnis eine Höhe von kleiner 120 mm, kleiner 100 mm oder kleiner 80 mm auf. In den meisten Ausführungsformen weist das Behältnis eine Höhe von größer 30 mm auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Behältnis einen Durchmesser bzw. eine Länge von kleiner 60 mm auf. In den meisten Ausführungsformen weist das Behältnis einen Durchmesser bzw. eine Länge von größer 15 mm auf.
Die Angabe Durchmesser bezieht sich insbesondere auf zylinderförmige Behältnisse, während sich die Länge bevorzugt auf rechteckige oder quadratische Behältnisse bezieht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wandung in den Innenraum hinein eine Verbreiterung auf und zwischen einer ersten Schulter der Verbreiterung und dem ersten Abschlusselement ist ein erster O-Ring angeordnet und zwischen einer zweiten Schulter der Verbreiterung und dem zweiten Abschlusselement ist ein zweiter O-Ring angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Behältnis zwischen dem ersten Abschlusselement und dem ersten O-Ring einen metallischen Dichtungsring auf, und das erste Abschlusselement weist weitere Innengewinde für Dichtungsschrauben auf und je eine Dichtungsschraube ist in jedem weiteren Innengewinde zur Beaufschlagung von Druck auf den metallischen Dichtungsring und den ersten O-Ring angeordnet.
Bevorzugt handelt es dabei sich um zwei bis sechs, besonders bevorzugt um vier, weitere Innengewinde für Dichtungsschrauben mit je einer Dichtungsschraube.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Luftdichtigkeit des Innenraumes bzw. die Luftdichtigkeit für das Feststoffelektrolytpellet weiter gesteigert wird. Ferner wird ein Behältnis bereitgestellt, in dem die Elemente für den Druck auf das Feststoffelektrolytpellet und für den Druck auf Dichtungselemente (z.B. den ersten O-Ring) voneinander entkoppelt sind. Folglich kann beispielsweise der Druck auf das Feststoffelektrolytpellet genau und beliebig eingestellt werden, ohne dabei auf die Dichtigkeit des Innenraumes bzw. die Luftdichtigkeit für das Feststoffelektrolytpellet zu verzichten. Durch den metallischen Dichtungsring ist der Druck auf den ersten O-Ring besonders gleichmäßig, was zu einer besonders guten Dichtigkeit führt. Auch einer Beschädigung des O-Rings wird durch den metallischen Dichtungsring vorgebeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der metallische Dichtungsring in dem Innenraum angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der metallische Dichtungsring um die Anpressschraube und/oder den Kolben herum angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt zumindest ein Teil des ersten Abschlusselementes Raum innerhalb des Umfanges der Wandung ein. Mit anderen Worten ragt zumindest ein Teil des ersten Abschlusselementes in den Innenraum hinein.
In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt zumindest ein Teil des zweiten Abschlusselementes Raum innerhalb des Umfanges der Wandung ein. Mit anderen Worten ragt zumindest ein Teil des zweiten Abschlusselementes in den Innenraum hinein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Behältnis derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil des zweiten Abschlusselementes zur Beaufschlagung von Druck auf den zweiten O-Ring in den Innenraum hineinragt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Behältnis derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil des ersten Abschlusselementes zur Beaufschlagung von Druck auf den ersten O-Ring in den Innenraum hineinragt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste O-Ring um den Kolben herum angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Behältnis derart ausgebildet, dass eine Erhebung des zweiten Abschlusselementes in den Innenraum hineinragt und der zweite O-Ring um die Erhebung des zweiten Abschlusselementes herum angeordnet ist.
Bei diesen Ausführungsformen ist das Feststoffelektrolytpellet besonders luftdicht abgeschlossen.
Mit anderen Worten dient der erste O-Ring und der metallische Dichtungsring zur Abdichtung des Feststoffelektrolytpellets bzw. Innenraumes (in Richtung des ersten Abschlusselementes und der Anpressschraube) und der zweite O-Ring zur Abdichtung des Feststoffelektrolytpellets (in Richtung des zweiten Abschlusselementes).
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Abschlusselement jeweils über zwei bis sechs, bevorzugt vier, Befestigungsschrauben an der Wandung befestigt.
Mit anderen Worten werden zur Befestigung des ersten und des zweiten Abschlusselementes bevorzugt separate Befestigungsschrauben verwendet.
Der Aufbau dient einer verbesserten Luftdichtigkeit des Innenraumes und des Feststoffelektrolytpellets. Obgleich die Befestigungsschrauben zur besseren Unterscheidbarkeit von den Dichtungsschrauben mit Befestigungsschrauben bezeichnet werden, verbessern auch die Befestigungsschrauben die luftdichte Abschließung. Die Nomenklatur der Schrauben in dieser Schrift soll vornehmlich der Unterscheidbarkeit der Schrauben dienen und nicht ihre Funktionen einschränken.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen das erste und das zweite Abschlusselement, der Kolben, die Anpressschraube, die Befestigungsschrauben, gegebenenfalls der metallische Dichtungsring und gegebenenfalls die Dichtungsschrauben aus Edelstahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen der erste und der zweite O-Ring aus Gummi (vulkanisierte natürliche oder synthetische Kautschuke).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wandung aus Kunststoff gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Wandung Polyetheretherketon (PEEK) oder besteht daraus.
Durch die Verwendung dieser Materialien ist das Behältnis temperaturbeständig und unempfindlich gegenüber Chemikalien. Ferner sind diese Materialien gut benutzbar und verarbeitbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Behältnis bis 260 °C temperaturbeständig.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Behältnis eine negative Elektrode, welche zwischen dem Kolben und dem zweiten Abschlusselement angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die negative Elektrode Lithium.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die negative Elektrode zum Feststoffelektrolytpellet eine Schicht, enthaltend Indium, auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die negative Elektrode eine Folie, die Indium enthält, und eine Schicht, die Lithium enthält, wobei die Schicht, die Indium enthält, zwischen der Folie, die Lithium enthält, und dem Feststoffelektrolytpellet angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Behältnis in dem Innenraum zwischen Kolben und dem zweiten Abschlusselement ein Feststoffelektrolytpellet.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Behältnis in dem Innenraum zwischen Kolben und dem zweiten Abschlusselement ein Feststoffelektrolytpellet, wobei das Feststoffelektrolytpellet eine erste Oberfläche und eine (gegenüberliegende) zweite Oberfläche umfasst, wobei die erste Oberfläche an der negativen Elektrode angeordnet ist, und die zweite Oberfläche ein Kompositmaterial als positive Elektrode aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Behältnis in dem Innenraum zwischen Kolben und dem zweiten Abschlusselement ein Feststoffelektrolytpellet, wobei das Feststoffelektrolytpellet eine erste Oberfläche umfasst, welche auf der negativen Elektrode angeordnet ist, und wobei das Feststoffelektrolytpellet auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ein Kompositmaterial als positive Elektrode aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Feststoffelektrolytpellet einen sulfidischen Feststoffelektrolyten.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Feststoffelektrolytpellet als Kompositmaterial ein Aktivmaterial, insbesondere LiNi1-x-yCoxMny02, einen sulfidischen Feststoffelektrolyten und einen Leitzusatz.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Behältnis ein Feststoffelektrolytpellet und ist eine (galvanische) Zelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Feststoffelektrolytpellet ein sulfidisches Feststoffelektrolytpellet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Feststoffelektrolytpellet luftdicht abgeschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist über die Anpressschraube auf das Feststoffelektrolytpellet ein Druck von bis zu 280 MPa einstellbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anpressschraube, vorzugsweise mit einem Drehmomentschlüssel, über einen Bereich von 0 bis 2,5 Nm anziehbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anpressschraube und das Innengewinde für die Anpressschraube zentral in dem ersten Abschlusselement angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die einzige Funktion der Anpressschraube in der Beaufschlagung von Druck auf den Kolben und das Feststoffelektrolytpellet und in der Einstellung und/oder Bestimmung des Druckes auf den Kolben und das F eststoffelektrolytpellet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung als Hohlzylinder ausgebildet. Allerdings sind beliebige Formen des Behältnisses und der Wandung und des Innenraumes denkbar sofern die wesentlichen Merkmale der Erfindung realisiert werden können.
Bevorzugt sind die Befestigungsschrauben, die Anpressschraube und die Dichtungsschrauben Teil des Behältnisses. Mit anderen Worten umfasst das Behältnis bevorzugt die Befestigungsschrauben, die Anpressschraube und die Dichtungsschrauben. Bevorzugt enthalten das erste Abschlusselement und das zweite Abschlusselement Aufnahmen und/oder Innengewinde für Befestigungsschrauben zur Befestigung an der Wandung.
Die Erfindung beruht auch auf dem Gedanken, einen Satz bzw. ein Kit anzugeben, umfassend
eine Wandung mit Innengewinden zur Befestigung des ersten Abschlusselementes und mit Innengewinden zur Befestigung des zweiten Abschlusselementes mittels Befestigungsschrauben,
ein erstes Abschlusselement und ein zweites Abschlusselement, jeweils mit Aufnahmen und/oder Innengewinden für Befestigungsschrauben, wobei das erste Abschlusselement ein Innengewinde für eine Anpressschraube sowie optional weitere Innengewinde für Dichtungsschrauben aufweist,

- einen Kolben,
- eine Anpressschraube zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben und/oder ein F eststoffelektrolytpellet, sowie optional
- mindestens zwei, bevorzugt acht, Befestigungsschrauben zur Befestigung des ersten Abschlusselementes und des zweiten Abschlusselementes an der Wandung,
- mindestens zwei O-Ringe,
- einen metallischen Dichtungsring und
- mindestens zwei, bevorzugt vier, Dichtungsschrauben, zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Behältnisses.

Zu weiteren Vorteilen, Ausführungsformen und Bestandteilen des Satzes bzw. des Kits wird auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Behältnis verwiesen.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Verwendung eines erfindungsgemäßen Behältnisses zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten anzugeben.
Vorteilhaft bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Behältnisses zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten ist, dass der robuste, kompakte und gewichtssparende Bau des Behältnisses vielfältige Untersuchungen an verschiedenen Orten und unter extremen Bedingungen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass während der Untersuchungen ein gleichmäßiger Druck auf dem Pellet gewährleistet ist. Ferner ist vorteilhaft, dass der Druck auf den Kolben und das Feststoffelektrolytpellet über die Anpressschraube in dem Deckel einstellbar ist, d.h. definierbar bzw. berechenbar ist. Durch den hohen Druck kann ein guter Kontakt zwischen den Partikeln des sulfidischen Feststoffelektrolytes erreicht werden. Obgleich der Druck auf das Feststoffelektrolytpellet beliebig variiert werden kann, ist die Abgeschlossenheit des Feststoffelektrolytpellets dennoch stets gewährleistet. Insgesamt können somit reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden, wodurch eine gute Untersuchung von Feststoffelektrolyten, insbesondere sulfidischen Feststoffelektrolyten, überhaupt erst möglich wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Feststoffelektrolytpellet zerstörungsfrei aus dem Behältnis entnommen.
Somit ist eine umfassende Untersuchung des Feststoffelektrolytpellets und insbesondere der Veränderungen nach mehreren Ent- und Aufladezyklen möglich.
Hierfür werden bevorzugt zunächst die Dichtungsschrauben und dann die Anpressschraube gelöst und entfernt. Vorzugsweise werden die Befestigungsschrauben zuletzt gelöst und entfernt. Nach Entfernung der Abschlusselemente, des metallischen Dichtungsrings und der O-Ringe kann das Feststoffelektrolytpellet mit einem Stempel aus Kunststoff zerstörungsfrei aus dem Innenraum gedrückt und dann untersucht werden.
Vorteilhaft bei der Verwendung bevorzugter Ausführungsformen des Behältnisses ist ferner, dass das Feststoffelektrolytpellet luftdicht abgeschlossen ist und ein konstanter Druck auf den sulfidischen Feststoffelektrolyten gehalten werden kann. Somit ist das Feststoffelektrolytpellet von äußeren Einflüssen geschützt und der Feststoffelektrolyt kann unter Idealbedingungen, insbesondere über mehrere Ent- und Aufladezyklen, untersucht und/oder verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Untersuchung des Feststoffelektrolyten mehrere, insbesondere 2 bis 30, Ent- und Aufladezyklen.
Zu weiteren Vorteilen, Ausführungsformen und Erläuterungen wird auf die Ausführungen zu dem Behältnis verwiesen.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Verwendung eines erfindungsgemäßen Behältnisses als (galvanische) Zelle anzugeben.
Zu Vorteilen, Ausführungsformen und Erläuterungen wird auf die Ausführungen zu dem Behältnis und der Verwendung zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten verwiesen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
In diesen zeigen:

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Behältnis zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten;
2 Wandung des erfindungsgemäßen Behältnisses in 1 in Draufsicht und als Querschnitt;
3 Kolben des erfindungsgemäßen Behältnisses in 1 in Draufsicht und als Querschnitt;
4 einen Querschnitt durch das zweite Abschlusselement des erfindungsgemäßen Behältnisses in 1;
5 Erstes Abschlusselement des erfindungsgemäßen Behältnisses in 1 in Draufsicht und als Querschnitt;
6 einen Querschnitt durch den metallischen Dichtungsring des erfindungsgemäßen Behältnisses in 1;
7 Erstes Abschlusselement in Draufsicht mit Anpressschraube, Befestigungsschrauben und Dichtungsschrauben;
8 Einen Querschnitt durch das Behältnis mit Schnitt des ersten und des zweiten O-Ringes;
9 Ergebnisse eines Zyklenstabilitätstest eines Feststoffelektrolyten unter Verwendung des erfindungsgemäßen Behältnisses im Klimaschrank bei 25 °C.

Herstellen des Feststoffelektrolytpellets, Zusammensetzen und Bestücken des Behältnisses:

Aufgrund der Luftempfindlichkeit der eingesetzten Materialien erfolgt das Herstellen des Feststoffelektrolytpellets 9, das Zusammensetzen des Behältnisses 1 und das Bestücken mit dem Feststoffelektrolytpellet 9 in einer Handschuhbox unter Argon-Atmosphäre. Der Gehalt an Wasser und Sauerstoff in der Box beträgt weniger als 1 ppm. Die Teile des Behältnisses 1 wurden vor Verwendung bei 70 °C ausgeheizt. Das erste 3 und das zweite 4 Abschlusselement, der Kolben 6, die Anpressschraube 7, die Befestigungsschrauben 8, der metallische Dichtungsring 15 und die Dichtungsschrauben 16 bestehen aus Edelstahl, der erste und der zweite O-Ring 13, 14 aus Gummi und die Wandung 2 besteht aus Polyetheretherketon (PEEK).

Das erste Abschlusselement 3 und das zweite Abschlusselement 4 weisen Aufnahmen 3C, 4C für Befestigungsschrauben 8 zur Befestigung an der Wandung 2 auf. Das zweite Abschlusselement 4 bildet in diesem Beispiel einen Boden, das erste Abschlusselement 3 einen Deckel. Das zweite Abschlusselement 4 weist eine Erhebung 17 auf, die in den Innenraum 5 hineinragt. Der zweite O-Ring 14 wird um die Erhebung 17 des zweiten Abschlusselementes 4 herum angeordnet. Das zweite Abschlusselement 4 wird mit aufgesetztem zweitem O-Ring 14 mit Hilfe von vier Befestigungsschrauben 8 an die Wandung 2 geschraubt. Die Wandung 2 weist hierfür vier Innengewinde auf. Die Wandung 2 weist in den Innenraum 5 hinein umlaufend eine Verbreiterung 10 auf. Nach oben und unten bildet die Verbreiterung 10 umlaufend je eine Schulter 11, 12 aus. Der zweite O-Ring 14 wird an dieser zweiten Schulter 12 durch das zweite Abschlusselement 4 fixiert und dichtet den Innenraum 5 nach unten ab. Der sulfidische Feststoffelektrolyt (z.B. Lithium Thiophosphat) (ca. 60 mg) wird in ein 8 mm Presswerkzeug eingefüllt und mit einer hydraulischen Presse eine Last von 1 t für 30 s aufgebracht. Dann wird ein Kompositmaterial aus Aktivmaterial (NCM, LiNi1-x-yCoxMny02), sulfidischem Feststoffelektrolyten (z.B. Lithium Thiophosphat) und Leitzusatz (Leitruß Super C65) durch Mörsern hergestellt. Ca. 9 mg des Komposites werden auf einer Seite des vorgepressten Pellets verteilt und das Pellet wird erneut mit 2 t für 2 min gepresst (Druck auf das Feststoffelektrolytpellet 9 ca. 400 MPa). Das Feststoffelektrolytpellet 9 wird derart auf dem zweiten Abschlusselement 4 platziert, dass die Seite des Feststoffelektrolytpellets 9 mit dem Kompositmaterial zum zweiten Abschlusselement 4 weist. Dann wird mit Hilfe eines Kunststoffstempels eine Indiumfolie auf die dem Kompositmaterial abgewandte Seite des Feststoffelektrolytpellets aufgedrückt. Dann wird mit Hilfe eines Kunststoffstempels eine Lithiumfolie aufgedrückt. Dann wird der Kolben 6 eingesetzt. Der Innenraum 5 des Behältnisses 1 ist nun fast vollständig durch Feststoffelektrolytpellet 9, Kolben 6 und die Erhebung 17 des zweiten Abschlusselementes 4 ausgefüllt. Dann wird der erste O-Ring 13 und der metallische Dichtungsring 15 auf der oberen ersten Schulter 11 der Verbreiterung 10 aufgesetzt und das erste Abschlusselement als Deckel mit Hilfe von vier Befestigungsschrauben 8 befestigt. Die Wandung 2 weist zur Befestigung des ersten Abschlusselementes 3 vier Innengewinde 2A auf. Die Anpressschraube 7 wird in einem zentralen Innengewinde 3A des ersten Abschlusselementes 3 eingesetzt und mit einem Drehmomentschlüssel (1,2 Nm) angezogen. Über den Kolben 6 wird so Druck auf das Feststoffelektrolytpellet 9 ausgeübt. Um Reibung und eine Verringerung des Druckes durch den O-Ring 13 zu vermeiden, wird erst der Druck über die Anpressschraube 7 aufgebracht und dann erst die vier Dichtungsschrauben 16 in vier weiteren Innengewinden 3B für Dichtungsschrauben 16 des ersten Abschlusselementes 3 angezogen. Der Druck auf das Feststoffelektrolytpellet 9 wird über die Steigung der Anpressschraube berechnet und beträgt in diesem Beispiel ca. 215 MPa, ist aber jederzeit variabel.
Als negative Elektrode dient die Indiumfolie (Durchmesser 8 mm, Dicke 0,125 µm) und die Lithiumfolie (Dicke 200 µm), die mit einer Oberfläche des Feststoffelektrolytpellets 9 (leitfähig) in Berührung steht. Das Kompositmaterial auf der anderen Oberfläche des Feststoffelektrolytpellets 9 dient als positive Elektrode. Negative und positive Elektrode sind über ein elektrisch leitendes Verbindungsstück außerhalb des Behältnisses 1 verbunden.
Das erste Abschlusselement 3 und das zweite Abschlusselement 4 sind nicht unmittelbar miteinander verbunden und sind insbesondere innerhalb des Behältnisses 1 nicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Eine elektrische Verbindung der Abschlusselemente 3, 4 (und die Bildung einer (galvanischen) Zelle) erfolgt über ein separates und externes leitfähiges Verbindungsstück. Das leitfähige Verbindungsstück ist mit Hilfe der Anpressschraube 7 an dem ersten Abschlusselement 3 und mittels einer Befestigungsschraube 8 an dem zweiten Abschlusselement 4 befestigt ist. Über die elektrisch leitfähige Anpressschraube 7 und den elektrisch leitfähigen Kolben 6 wird so über das erste Abschlusselement 3 eine elektrische Verbindung zum Feststoffelektrolytpellet 9 hergestellt. Auf der anderen Seite erfolgt die elektrische Verbindung zum Feststoffelektrolytpellet 9 über eine elektrisch leitfähige Befestigungsschraube 8 und das elektrisch leitfähige zweite Abschlusselement 4.
Das Behältnis 1 weist eine Höhe von etwa 6 cm, einen Durchmesser von 30 mm und ein Gewicht von etwa 80 g (mit allen Schrauben, aber ohne Verbindungsstück) auf. Somit ist das Behältnis 1 deutlich leichter und kompakter als bekannte Behältnisse.
Das Behältnis 1 kann in Einzelteile zerlegt als Kit bzw. Satz vorliegen.
Messprotokoll und Ausbau des Feststoffelektrolytpellets Galvanostatische Zyklierung mit Spannungslimitierung (GCPL):

Die Zyklenstabilitätstests werden mit einer C-Rate von C/20 im Spannungsbereich 2,0 bis 3,8 V durchgeführt. Anschließend können die zyklierten Feststoffelektrolytpellets 9 ausgebaut und auf Degradation untersucht werden.

Die Behältnisse/Zellen werden im Klimaschrank bei konstanter Temperatur gehalten.
Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt. 9 zeigt die Lade- und Entladekurve sowie die Zyklenstabilität in der Feststoffbatterie bei 25 °C. Zu sehen sind die Lade- und Entladekurven für den ersten, zweiten und 30. Zyklus. Ein Zyklus besteht aus einer Ladung und anschließender Entladung im Spannungsbereich von 2,0 bis 3,8 V (vs. In/Li). Die Ladekapazität im 1. Zyklus beträgt 230 mAh/g. Die Entladekapazität beträgt 155 mAh/g. Die spezifische Kapazität bezieht sich hierbei auf die Masse des Aktivmaterials. Im 1. Zyklus ist ein Kapazitätsverlust zu sehen, welcher allgemein in Feststoffbatterien oft beobachtet wird. Laut Literatur könnte dieser Kapazitätsverlust unter anderem durch Grenzflächenreaktionen zwischen Feststoffelektrolyt und Aktivmaterial hervorgerufen werden. Nach 30 Zyklen sind noch über 145 mAh/g vorhanden. Die Feststoffbatterie zeigt insgesamt eine gute Zyklenstabilität. Durch den (nötigen) definierten Druck und die Luftdichtigkeit die das entwickelte Zelldesign bietet, sind solche Zyklenstabilitätstest überhaupt erst möglich.
Nach den Zyklen kann das Feststoffelektrolytpellet 9 zerstörungsfrei ausgebaut und weiter untersucht werden. Hierfür werden zunächst die Dichtungsschrauben 16 und dann die Anpressschraube 7 gelöst und entfernt. Dann werden die Befestigungsschrauben 8 zuletzt gelöst und entfernt. Nach Entfernung der Abschlusselemente 3, 4, des metallischen Dichtungsrings 15 und der O-Ringe 13, 14 kann das Feststoffelektrolytpellet 9 mit einem Stempel aus Kunststoff aus dem Innenraum 5 gedrückt werden.
Untersuchung auf Dichtigkeit
Die Dichtigkeit des Behältnisses 1 wird überprüft, indem der Innenraum mit (pinker) Kaliumpermanganatlösung gefüllt und verschlossen wird und das Behältnis dann im Unterdruck (0.5 bar) unter (entgastem) Wasser auf Verfärbungen bzw. ein Leck untersucht wird.
Das Behältnis 1 erweist sich als luftdicht. Die Bestandteile und das Behältnis 1 sind chemikalienbeständig und bis 260 °C temperaturbeständig.
Besonders vorteilhaft an Ausführungsformen des Behältnisses 1 bzw. der Zelle ist, dass gleichzeitig Luftabschluss, ein zerstörungsfreies Entnehmen und ein wohl definierter Anpressdruck realisiert werden kann, was im Stand der Technik einzigartig ist.
Bezugszeichenliste

1: Behältnis
2: Wandung
2A: Innengewinde zur Befestigung des ersten Abschlusselementes
2B: Innengewinde zur Befestigung des zweiten Abschlusselementes
3: erstes Abschlusselement
3A: Innengewinde für die Anpressschraube
3B: weitere Innengewinde für Dichtungsschrauben
3C: Aufnahme für Befestigungsschraube
4: zweites Abschlusselement
4C: Aufnahme für Befestigungsschraube
5: Innenraum
6: Kolben
7: Anpressschraube
8: Befestigungsschraube
9: Feststoffelektrolytpellet
10: Verbreiterung
11: erste Schulter der Verbreiterung
12: zweite Schulter der Verbreiterung
13: erster O-Ring
14: zweiter O-Ring
15: metallischer Dichtungsring
16: Dichtungsschraube
17: Erhebung des zweiten Abschlusselementes

Claims

Behältnis (1) zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten, umfassend - eine Wandung (2), - ein erstes Abschlusselement (3), wobei das erste Abschlusselement (3) mittels Befestigungsschrauben (8) an der Wandung (2) befestigt ist, - ein zweites Abschlusselement (4), wobei das zweite Abschlusselement (4) mittels Befestigungsschrauben (8) an der Wandung (2) befestigt ist, - wobei die Wandung (2), das erste und das zweite Abschlusselement (3, 4) derart ausgebildet sind, dass zwischen der Wandung (2) und dem ersten und dem zweiten Abschlusselement (3, 4) ein Innenraum (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wandung (2) Innengewinde (2A) zur Befestigung des ersten Abschlusselementes (3) und Innengewinde (2B) zur Befestigung des zweiten Abschlusselementes (4) mittels der Befestigungsschrauben (8) aufweist, - in dem Innenraum (5) ein Kolben (6) zur Beaufschlagung von Druck auf ein Feststoffelektrolytpellet (9) in dem Innenraum (5) angeordnet ist, - das erste Abschlusselement (3) ein Innengewinde (3A) für eine Anpressschraube (7) zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben (6) und das Feststoffelektrolytpellet (9) aufweist, - das Behältnis (1) die Anpressschraube (7) zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben (6) und/oder das Feststoffelektrolytpellet (9) umfasst, wobei die Anpressschraube (7) über das Innengewinde (3A) des ersten Abschlusselementes (3) an dem ersten Abschlusselement (3) befestigt ist, und - der Druck auf den Kolben (6) und das Feststoffelektrolytpellet (9) über die Anpressschraube (7) einstellbar ist.
Behältnis (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) ein Gewicht von 40 g bis 200 g aufweist.
Behältnis (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) eine Höhe von kleiner 120 mm und einen Durchmesser bzw. eine Länge von kleiner 60 mm aufweist.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2) in den Innenraum (5) hinein eine Verbreiterung (10) aufweist und zwischen einer ersten Schulter (11) der Verbreiterung (10) und dem ersten Abschlusselement (3) ein erster O-Ring (13) angeordnet ist und zwischen einer zweiten Schulter (12) der Verbreiterung (10) und dem zweiten Abschlusselement (4) ein zweiter O-Ring (14) angeordnet ist.
Behältnis (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) zwischen dem ersten Abschlusselement (3) und dem ersten O-Ring (13) einen metallischen Dichtungsring (15) aufweist, und das erste Abschlussele¬ment (3) weitere Innengewinde (3B) für Dichtungsschrauben (16) aufweist und je eine Dichtungsschraube (16) in jedem weiteren Innengewinde (3B) zur Beaufschla¬gung von Druck auf den metallischen Dichtungsring (15) und den ersten O-Ring (13) angeordnet ist.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abschlusselement (3, 4), der Kolben (6), die Anpress¬schraube (7), die Befestigungsschrauben (8), gegebenenfalls der metallische Dich¬tungsring (15) und gegebenenfalls die Dichtungsschrauben (16) aus Edelstahl beste¬hen und vorzugsweise der erste und der zweite O-Ring (13, 14) aus Gummi beste¬hen und vorzugsweise die Wandung (2) Polyetheretherketon (PEEK) enthält oder daraus besteht.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) eine negative Elektrode umfasst, welche zwischen dem Kolben (6) und dem zweiten Abschlusselement (4) angeordnet ist.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (1) in dem Innenraum (5) zwischen Kolben (6) und dem zweiten Ab¬schlusselement (4) ein Feststoffelektrolytpellet (9) enthält, wobei das Feststoffelek¬trolytpellet (9) eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche umfasst, wobei die erste Oberfläche an der negativen Elektrode angeordnet ist, und die zweite Ober¬fläche ein Kompositmaterial als positive Elektrode aufweist.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feststoffelektrolytpellet (9) luftdicht abgeschlossen ist.
Behältnis (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Anpressschraube (7) auf das Feststoffelektrolytpellet (9) ein Druck von bis zu 280 MPa einstellbar ist.
Satz bzw. Kit, umfassend - eine Wandung (2) mit Innengewinden (2A) zur Befestigung des ersten Abschluss¬elementes (3) und mit Innengewinden (2B) zur Befestigung des zweiten Abschluss¬elementes (4) mittels Befestigungsschrauben (8), - ein erstes Abschlusselement (3) und ein zweites Abschlusselement (4), jeweils mit Aufnahmen und/oder Innengewinden (3C, 4C) für Befestigungsschrauben (8), wobei das erste Abschlusselement (3) ein Innengewinde (3A) für eine Anpressschraube (7) sowie optional weitere Innengewinde (3B) für Dichtungsschrauben (16) aufweist, - einen Kolben (6), - eine Anpressschraube (7) zur Beaufschlagung von Druck auf den Kolben (6) und/oder ein Feststoffelektrolytpellet (9), sowie optional - mindestens zwei, bevorzugt acht, Befestigungsschrauben (8) zur Befestigung des ersten Abschlusselementes (3) und des zweiten Abschlusselementes (4) an der Wandung (2), - mindestens zwei O-Ringe (13, 14), - einen metallischen Dichtungsring (15) und - mindestens zwei, bevorzugt vier, Dichtungsschrauben (16), zur Bereitstellung eines Behältnisses (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung eines Behältnisses (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Untersuchung von Feststoffelektrolyten.
Verwendung nach Anspruch 11, wobei das Feststoffelektrolytpellet (9) zerstörungsfrei aus dem Behältnis (1) entnommen wird.
Verwendung eines Behältnisses (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als (galvanische) Zelle.