DE102019111417A1

DE102019111417A1 - Schutzbeschichtung für eine lithiumhaltige elektrode und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102019111417A1
Application number: DE102019111417.9A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Mei Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN110534704B; US20190363345A1; US11063248B2; CN110534704A

Abstract

Hierin sind Verfahren zum Entfernen einer Passivierungsschicht auf einer lithiumhaltigen Elektrode und zum Herstellen einer Schutzschicht auf der lithiumhaltigen Elektrode durch Aufbringen einer Graphenquelle vorgesehen. Eine lithiumhaltige Elektrode mit der Schutzschicht aus Graphen und lithiumhaltigen elektrochemischen Zellen, die diese beinhalten, sind ebenfalls hierin vorgesehen.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf lithiumhaltige Elektroden, und insbesondere auf das Bilden einer Schutzbeschichtung für lithiumhaltige Elektroden, wie beispielsweise negative Lithium-Metallelektroden, für lithiumhaltige elektrochemische Zellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien.
Eine elektrochemische Zelle, wie beispielsweise eine Batterie, ist eine Vorrichtung, die chemische Energie in elektrische Energie durch elektrochemische Reduktion-Oxidations (Redox)-Reaktionen umwandelt. In sekundären oder wiederaufladbaren Batterien sind diese elektrochemischen Reaktionen reversibel, weswegen die Batterien imstande sind, mehrere Lade- und Entladezyklen zu durchlaufen.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel- und Lithium-Metallbatterien beinhalten eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode und eine andere dient als negative Elektrode oder Anode. Ein Stapel von Batteriezellen kann elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Konventionelle wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien arbeiten durch umkehrbares Hin- und Herleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester (z. B. Festkörperdiffusion) oder flüssiger Form vorliegen. Jede der negativen und positiven Elektroden ist in der Regel durch einen metallischen Stromkollektor weitergeführt oder damit verbunden, zum Beispiel in Form einer dünnen Schicht aus einem Elektrodenmaterial. Die Stromkollektoren können durch eine unterbrechbare externe Schaltung miteinander verbunden sein, durch die Elektronen von einer Elektrode zur anderen fließen können, während Lithiumionen durch die elektrochemische Zelle durch Laden und Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung fließen.
Lithiumionenbatterien können ein zugeordnetes Ladegerät auf Anforderung reversibel mit Strom versorgen. Genauer gesagt kann ein Ladegerät durch eine Lithiumionenbatterie mit Strom versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode auf effektive Weise aufgebraucht worden ist. Die Batterie kann dann durch Zuführung eines geeigneten direkten elektrischen Stroms in die entgegengesetzte Richtung zwischen den Elektroden wiederaufgeladen werden.
Durch Entladen enthält die negative Elektrode eine relativ hohe Konzentration an eingelagertem Lithium, das in Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Die Lithiumionen wandern von der negativen Elektrode (Anode) zur positiven Elektrode (Kathode), zum Beispiel durch die ionisch leitfähige Elektrolytlösung, die in den Poren eines zwischengeschalteten porösen Separators enthalten ist. Zur selben Zeit fließen Elektronen durch die externe Schaltung von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Die Lithiumionen werden durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen. Die Batterie kann nach einer ganzen oder teilweisen Entladung ihrer zur Verfügung stehenden Kapazität durch eine externe Stromquelle wiederaufgeladen werden, welche die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umkehrt.
Während des Aufladens wird eingelagertes Lithium in der positiven Elektrode zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert. Die Lithiumionen wandern von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode durch den porösen Separator über den Elektrolyten, und die Elektronen durchlaufen die externe Schaltung zur negativen Elektrode. Die Lithiumionen werden an der negativen Elektrode zu elementaren Lithium reduziert und im Material der negativen Elektrode zur Wiederverwendung gelagert.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In bestimmten Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einer Elektrode mit einer ersten Li-haltigen Oberfläche vor. Das Verfahren kann das Entfernen einer Passivierungsschicht auf der ersten Li-haltigen Oberfläche der Elektrode durch Aufbringen einer Graphenquelle auf die erste Li-haltige Oberfläche der Elektrode; und das Bilden einer Schutzschicht angrenzend an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche beinhalten. Die Schutzschicht kann Graphen beinhalten.
Die Schutzschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 200 nm aufweisen.
Die Graphenquelle kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Graphit, einer Graphennanoplatte, einem Mehrschichtgraphen, einem Graphenoxid, Ruß und einer Kombination derselben.
Die Graphenquelle kann in Form von Partikeln, einem Papier oder einer Rolle vorliegen.
Die Schutzschicht kann im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Entfernen der Passivierungsschicht gebildet werden.
Die Passivierungsschicht kann Lithiumoxid, Lithiumcarbonat, Lithiumnitrid, Lithiumhydroxid oder eine Kombination derselben beinhalten.
Die Graphenquelle kann in Gegenwart eines Inertgases und bei einer Temperatur von etwa 15 °C bis etwa 160 °C aufgebracht werden.
Die Schutzschicht kann durch nicht-kovalente Wechselwirkungen mit der ersten Li-haltigen Oberfläche gebunden werden.
Das Verfahren kann ferner das Aufbringen eines Polymers oder Polymervorläufers beinhalten, um eine Polymerbeschichtung zu bilden, die an mindestens einen Teil der Schutzschicht angrenzt.
In weiteren Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Li-haltige Elektrode vor, die eine erste Li-haltige Oberfläche, eine zweite Li-haltige Oberfläche gegenüber der ersten Li-haltigen Oberfläche und eine Schutzschicht angrenzend an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche beinhaltet. Die Schutzschicht kann Graphen beinhalten, und die Li-haltige Elektrode weist keine weitere Beschichtung auf, die Graphen angrenzend an die zweite Li-haltige Oberfläche beinhaltet.
Die Li-haltige Elektrode kann möglicherweise keine Passivierungsschicht zwischen der ersten Li-haltigen Oberfläche und der Schutzschicht aufweisen.
Die Schutzschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 200 nm aufweisen.
Die Schutzschicht kann durch nicht-kovalente Wechselwirkungen an die erste Li-haltige Oberfläche gebunden werden.
Die Li-haltige Elektrode kann ferner eine Polymerbeschichtung beinhalten, die an mindestens einen Abschnitt der Schutzschicht angrenzt.
In weiteren Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine Li-haltige elektrochemische Zelle vor, die eine negative Elektrodenschicht mit einer Li-haltigen Elektrode, eine von der negativen Elektrodenschicht beabstandete positive Elektrodenschicht, einen zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der negativen Elektrodenschicht und der positiven Elektrodenschicht angeordneten porösen Separator und einen flüssigen Elektrolyten beinhaltet, der die negative Elektrodenschicht, die positive Elektrodenschicht und den porösen Separator infiltriert. Die Li-haltige Elektrode kann eine erste Li-haltige Oberfläche, eine zweite Li-haltige Oberfläche gegenüber der ersten Li-haltigen Oberfläche und eine Schutzschicht angrenzend an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche beinhalten. Die Schutzschicht kann Graphen beinhalten, und die Li-haltige Elektrode weist keine weitere Beschichtung auf, die Graphen angrenzend an die zweite Li-haltige Oberfläche beinhaltet.
Die Li-haltige Elektrode kann möglicherweise keine Passivierungsschicht zwischen der ersten Li-haltigen Oberfläche und der Schutzschicht aufweisen. Die Passivierungsschicht kann Lithiumoxid, Lithiumcarbonat, Lithiumnitrid, Lithiumhydroxid oder eine Kombination derselben beinhalten.
Die Schutzschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 0,4 nm bis etwa 200 nm aufweisen.
Die Schutzschicht kann durch nicht-kovalente Wechselwirkungen an die erste Li-haltige Oberfläche gebunden werden.
Die Li-haltige elektrochemische Zelle kann ferner eine Polymerbeschichtung beinhalten, die an mindestens einen Abschnitt der Schutzschicht angrenzt.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.

1A ist eine Querschnittsansicht einer lithiumhaltigen Elektrode mit einer Schutzschicht gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
1B ist eine Querschnittsansicht einer lithiumhaltigen Elektrode mit einer Schutzschicht gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
1C ist eine Querschnittsansicht einer lithiumhaltigen Elektrode mit einer Schutzschicht gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
2A ist eine schematische Querschnittsdarstellung, welche die Anwendung einer Graphenquelle auf eine Li-haltige Elektrode gemäß einem Aspekt der Offenbarung veranschaulicht.
2B ist eine Draufsicht, die dem Querschnittsabschnitt von 2A entspricht.
3A veranschaulicht ein Verfahren zum Aufbringen einer Graphenquelle auf eine Li-haltige Elektrode gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
3B veranschaulicht ein Verfahren zum Aufbringen einer Graphenquelle auf eine Li-haltige Elektrode gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
3C veranschaulicht ein Verfahren zum Aufbringen einer Graphenquelle auf eine Li-haltige Elektrode gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
4 ist eine Querschnittsansicht einer lithiumhaltigen elektrochemischen Zelle gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
5 ist eine Querschnittsansicht einer lithiumhaltigen elektrochemischen Zelle gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Lithiumionenbatterie einschließlich einer Vielzahl von gestapelten elektrochemischen Zellen gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
Die 7A, 7B und 7C sind Rasterelektronenmikroskopie-(FE-SEM)-Bilder der beschichteten Li-Elektrode, die verschiedene Positionen einer Schutzschicht darstellen, die Graphen umfasst, das auf einer lithiumhaltigen Elektrode vorliegt.
8 verdeutlicht die Spannung (Volt) im Verhältnis zur Prüfzeit (Stunden) für die beschichtete Li-Elektrode und die Vergleichselektrode.
9 verdeutlicht die Spannung (Volt) im Verhältnis zur Prüfzeit (Stunden) für die beschichtete Li-Elektrode und die Vergleichselektrode.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“, „befestigt an“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Schichten beschrieben, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaften), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb enthalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
Es sollte für jede Rezitation eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, Vorrichtung oder eines Systems, welches bzw. welche bestimmte Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften „umfasst“, in Betracht gezogen werden, dass es in bestimmten alternativen Variationen auch denkbar ist, dass diese Verfahren, eine besagte Zusammensetzung, Vorrichtung oder eine besagte Anlage auch „im Wesentlichen“ aus den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Eigenschaften „bestehen kann“, sodass jegliche andere Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften, die materialmäßig die grundlegenden und neuen Eigenschaften der Erfindung verändern, hiervon ausgeschlossen sind.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Lithiumhaltige Elektrode mit Schutzschicht und Verfahren zur Herstellung derselben
Eine lithiumhaltige (Li-haltige) Elektrode, die eine Schutzschicht umfasst, ist hierin vorgesehen. Es wurde festgestellt, dass eine Schutzschicht mit Graphen das Wachstum von Lithium-Dendriten und die Bildung von moosigem Lithium auf der Li-haltigen Elektrode vorteilhaft verhindern und/oder reduzieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die im Folgenden näher beschriebene Schutzschicht als künstliche Festelektrolytzwischenphase (SEI) auf einer Li-haltigen Elektrode wirken und durch Unterdrückung des Lithium-Dendritenwachstums und der moosartigen Lithiumbildung die Zykluseffizienz einer elektrochemischen Zelle verbessern.
Wie beispielsweise in 1A am besten dargestellt, beinhaltet eine beschichtete Li-haltige Elektrode 1 eine Li-haltige Elektrode 3 und eine Schutzschicht 4. Die Li-haltige Elektrode 3 kann eine erste Li-haltige Oberfläche 5 und eine zweite Li-haltige Oberfläche 6 beinhalten, die der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 gegenüberliegt. In einigen Ausführungsformen kann die Li-haltige Elektrode 3 eine homogene Lithium-Elektrode oder eine Elektrode mit nur einer Li-haltigen Oberfläche sein, beispielsweise nur die erste Li-haltige Oberflächenschicht 5. Die Schutzschicht 4 kann an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 der Li-haltigen Elektrode 3 angrenzen oder darauf angeordnet sein. Die Schutzschicht 4 kann beispielsweise Graphen umfassen, da mindestens eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 4 mehr als eine Schicht Graphen (z. B. zwei Schichten, drei Schichten, vier Schichten, fünf Schichten, zehn Schichten, usw.) oder überlappende Schichten Graphen umfassen. In verschiedenen Aspekten kann die Schutzschicht 4, die Graphen umfasst, an der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 über nicht-kovalente Wechselwirkungen oder Bindungen zwischen Graphen und Li-Atomen haften, die in der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 vorhanden sind. Die Li-Atome können mit den Graphen-Pi-Elektronen (π Elektronen) zusammenwirken. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Zusammenwirken von Li-Atomen mit den Pi-Elektronen des Graphen zu einer Polarisierung der orbitalen Elektronenwolke führen kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 4 eine Dicke von mindestens etwa 0,1 nm, mindestens etwa 0,4 nm, mindestens etwa 1 nm, mindestens etwa 50 nm, mindestens etwa 100 nm, mindestens etwa 200 nm, mindestens 400 nm, mindestens 600 nm, mindestens 800 nm, mindestens 1 µm, mindestens 2,5 µm, mindestens etwa 5 µm oder etwa 10 µm aufweisen; oder in einem Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 10 µm, etwa 0,4 nm bis etwa 10 µm, etwa 1 nm bis etwa 10 µm, 0,1 nm bis etwa 5 µm, 0,4 nm bis etwa 1 µm, etwa 0,1 nm bis etwa 200 nm, etwa 0,4 nm bis etwa 200 nm oder etwa 0,4 nm bis etwa 50 nm. Obwohl nicht dargestellt, wird hierin erwogen, dass die Schutzschicht 4 an mindestens einen Abschnitt der zweiten Li-haltigen Oberfläche 6 angrenzen oder auf dieser angeordnet sein kann. Alternativ weist die Li-haltige Elektrode 3 keine weitere Schutzschicht auf, die Graphen angrenzend an die zweite Li-haltige Oberfläche 6 umfasst.
In verschiedenen Aspekten kann die Schutzschicht 4 im Wesentlichen kontinuierlich und/oder die erste Li-haltige Oberfläche 5 kann im Wesentlichen kontinuierlich sein, vorzugsweise sind sowohl die Schutzschicht 4 als auch die erste Li-haltige Oberfläche 5 im Wesentlichen kontinuierlich. In alternativen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 4 auf der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 als diskontinuierliche Schicht vorhanden sein. So kann beispielsweise die Schutzschicht 4 Lücken im Graphen und/oder die Schutzschicht 4 eine Überlappung der Graphenschichten beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 4 (kontinuierlich oder diskontinuierlich) auf mindestens einem Abschnitt der Oberfläche der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 bis zu im Wesentlichen der gesamten Oberfläche (mehr als 98 %, mehr als 99 % oder 100 % der Oberfläche) der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 vorhanden sein.
In verschiedenen Aspekten sind die Schutzschicht 4 und die Li-haltige Elektrode 3 einschließlich der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 diskrete (oder getrennte) Körper oder Strukturen. Mit anderen Worten, können die Schutzschicht 4 und die Li-haltige Elektrode 3 als diskrete oder getrennte Schichten betrachtet werden. So sind beispielsweise Lithium-(Li)-Atome in einer diskreten Li-haltigen Elektrode 3, beispielsweise in der ersten Li-haltigen Oberfläche 5, enthalten, und die Li-Atome sind nicht in einer diskreten Schutzschicht 4, beispielsweise in den Poren der Schutzschicht 4, enthalten oder in diese eingebettet, zumindest bei der Bildung der Schutzschicht 4 auf der Li-haltigen Elektrode 3 und vor dem Betrieb der Elektrode, zum Beispiel in einer elektrochemischen Zelle. Es wird hierin erwogen, dass beim Betrieb, beispielsweise in einer elektrochemischen Zelle, Li-Atome oder Ionen innerhalb der Schutzschicht 4 vorhanden sein können.
Optional kann, wie in 1B dargestellt, die Li-haltige Elektrode 3 auf einem Substrat 2 in einer beschichteten Li-haltigen Elektrode 10 angeordnet werden. Das Substrat 2 kann jedes geeignete Material sein, beispielsweise eine metallische Folie, wie beispielsweise Kupfer-, Nickel-, Edelstahl- oder Titanfolien. Bei der Montage in einer elektrochemischen Zelle kann ein Stromabnehmer, wie beispielsweise ein negativer Stromabnehmer (wie nachstehend weiter beschrieben), als Substrat dienen, auf dem die Li-haltige Schicht angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen, wie in 1C dargestellt, kann eine beschichtete Li-haltige Elektrode 100 ferner eine Polymerbeschichtung 7 beinhalten, die angrenzend an die Schutzschicht 4 vorhanden oder angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Polymerbeschichtung 7 als kontinuierliche Schicht auf der Schutzschicht 4 vorhanden sein. In alternativen Ausführungsformen kann die Polymerbeschichtung 7 als diskontinuierliche Schicht auf der Schutzschicht 4 vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen kann die Polymerbeschichtung 7 (kontinuierlich oder diskontinuierlich) auf mindestens einem Abschnitt der Oberfläche der Schutzschicht 4 bis zu im Wesentlichen der gesamten Oberfläche (mehr als 98 %, mehr als 99 % oder 100 % der Oberfläche) der Schutzschicht 4 vorhanden sein.
In jeder Ausführungsform kann die Schutzschicht aus einer Graphenquelle abgeleitet sein und/oder auf dieser basieren, die auf eine Li-haltige Elektrode aufgebracht werden kann, um eine Schutzschicht zu bilden. Daher sind hierin auch Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einer Li-haltigen Elektrode vorgesehen. Vorteilhafterweise wurde festgestellt, dass eine Kombination aus dem Entfernen einer Passivierungsschicht und dem Bilden einer Schutzschicht aus Graphen auf einer Li-haltigen Elektrode im Wesentlichen gleichzeitig durch Aufbringen einer Graphenquelle auf eine Li-haltige Oberfläche einer Li-haltigen Elektrode erreicht werden kann. Durch das Entfernen der Passivierungsschicht kann eine bessere Grenzflächenhaftung zwischen der Schutzschicht 4 und der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 erreicht werden, und die Schutzschicht 4 aus Graphen kann ein schädliches Lithium-Dendrit-Wachstum und eine moosartige Lithiumbildung verhindern und/oder reduzieren. Darüber hinaus weist die Graphen umfassende Schutzschicht 4 eine gewisse Flexibilität auf, die eine Volumenänderung einer Li-haltigen Elektrode während des Zyklus besser aufnehmen kann. Insgesamt kann das hierin beschriebene Verfahren dazu führen, dass eine Li-haltige Elektrode mit verbesserten Leistungsmerkmalen, wie beispielsweise einer erhöhten Zykluseffizienz und einer reduzierten Überspannung, bei Verwendung in einer elektrochemischen Zelle eingesetzt wird. Darüber hinaus kann die Anwendung der Graphenquelle mit mechanischen Mitteln (wie im Folgenden näher beschrieben) erfolgen, wodurch kostspielige und umweltschädliche nasschemische Techniken vermieden werden, die zu einer großen Menge an unerwünschten Nebenprodukten und niedrigen Ausbeuten führen können.
In jeder Ausführungsform kann das Verfahren das Entfernen einer Passivierungsschicht auf einer ersten Li-haltigen Oberfläche 5 einer Li-haltigen Elektrode 3 durch Aufbringen einer Graphenquelle auf die erste Li-haltige Oberfläche 5 der Li-haltigen Elektrode 3 beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Bilden einer Schutzschicht 4 beinhalten, die Graphen angrenzend an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 umfasst, wenn die Graphenquelle aufgebracht wird. Wie beispielsweise im Schaltplan in 2A in (I)-(III) verdeutlicht, beinhaltet eine Li-haltige Elektrode 203 eine Passivierungsschicht 208 auf einer ersten Li-haltigen Oberfläche 205 der Li-haltigen Elektrode 203. Eine Graphenquelle 210 wird auf die Li-haltige Elektrode 203 aufgebracht, wodurch mindestens ein Abschnitt oder die gesamte Passivierungsschicht 208 entfernt wird, während eine Schutzschicht 204 angrenzend an die erste Li-haltige Oberfläche 205 gebildet wird. Der Pfeil in 2A zeigt die Bewegung der Graphenquelle 210, wie sie entlang der Li-haltigen Elektrode 203 aufgebracht wird. Das Aufbringen der Graphenquelle 210 bildet die Schutzschicht 204 angrenzend an die erste Li-haltige Oberfläche 205 der Li-haltigen Elektrode 203. 2B veranschaulicht schematisch eine entsprechende Draufsicht der 2A (I)-(III).
In einigen Ausführungsformen kann die Graphenquelle ferner auf die zweite Li-haltige Oberfläche 6 der Li-haltigen Elektrode 3 aufgebracht werden, beispielsweise zum Entfernen einer auf der zweiten Li-haltigen Oberfläche 6 vorhandenen Passivierungsschicht und zum Bilden einer weiteren Schutzschicht aus Graphen auf der zweiten Li-haltigen Oberfläche 6. Alternativ wird die Graphenquelle nicht auf die zweite Li-haltige Oberfläche 6 aufgebracht.
Die Passivierungsschicht kann Lithiumoxid, Lithiumcarbonat, Lithiumnitrid, Lithiumhydroxid oder eine Kombination derselben umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 4 im Wesentlichen gleichzeitig und/oder spontan beim Entfernen der Passivierungsschicht gebildet werden; daher kann die Schutzschicht 4 vorteilhaft gebildet werden, bevor sich eine neue Passivierungsschicht bilden kann. So kann in einigen Ausführungsformen eine Li-haltige Elektrode gebildet werden, die eine geringe Menge einer Passivierungsschicht (weniger als 20 %, weniger als 10 %, weniger als 5 % der ursprünglichen Passivierungsschicht) aufweist oder die im Wesentlichen keine (weniger als 1 %) Passivierungsschicht zwischen der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 und der Schutzschicht 4 aufweist. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass, da eine Graphenquelle auf eine Li-haltige Oberfläche aufgebracht wird, eine nicht-kovalente Wechselwirkung zwischen Graphen-Pi-Elektronen und Li der Li-haltigen Oberfläche bewirkt, dass Graphen aus der Graphenquelle an der Li-haltigen Oberfläche haftet oder klebt und so die Schutzschicht 4 auf der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 bildet. Die Bindungsenergie zwischen der Li-haltigen Oberfläche und der Graphenschicht ist stärker (z. B. etwa 0,9 eV bis etwa 1,7 eV) als die Bindungsenergie im Zusammenspiel von Graphen und Graphen der Graphenquelle (z. B. etwa 0,024 eV bis etwa 0,05 eV). Ferner entfernt das Aufbringen der Graphenquelle auch physisch eine Passivierungsschicht, die auf der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 vorhanden sein kann. Das Entfernen der Passivierungsschicht ist entscheidend, um eine starke Haftung zwischen Graphen und der Li-haltigen Oberfläche zu erreichen.
In verschiedenen Aspekten kann die Graphenquelle Graphit, eine Graphennanoplatte, ein Mehrschichtgraphen, ein Graphenoxid, Ruß oder Kombinationen derselben sein. Beispiele für Graphit sind unter anderem Naturgraphit, synthetischer Graphit und hochgerichteter pyrolytischer Graphit (HOPG). In einigen Ausführungsformen kann die Graphenquelle in Form von Partikeln, einem Papier, einer Rolle oder einer Kombination derselben vorliegen, um sie auf eine Li-haltige Elektrode aufzubringen. Wie vorstehend erläutert, kann die Graphenquelle mechanisch aufgebracht werden, beispielsweise durch Walzen, Gleiten und/oder Bewegen der Graphenquelle entlang der ersten Li-haltigen Oberfläche 5 der Li-haltigen Elektrode 3. So kann beispielsweise, wie in 3A veranschaulicht, eine Graphenquelle 310 in Form einer Rolle entlang einer ersten Li-haltigen Oberfläche 305 der Li-haltigen Elektrode 303 gewalzt werden, die optional auf einem Substrat 302 angeordnet werden kann. Alternativ, wie in 3B veranschaulicht, eine Graphenquelle 320 in Form von Papier entlang einer ersten Li-haltigen Oberfläche 305 der Li-haltigen Elektrode 303 verschoben oder bewegt werden, die optional auf einem Substrat 302 angeordnet werden kann. Alternativ, wie in 3C veranschaulicht, eine Graphenquelle 330 in Form von Partikeln oder Pulver, die am Träger 340 (z.B. einer Scheibe) befestigt sind, entlang einer ersten Li-haltigen Oberfläche 305 der Li-haltigen Elektrode 303 verschoben oder bewegt werden, die optional auf einem Substrat 302 angeordnet sein kann. Die Pfeile in den 3A-3C veranschaulichen die Bewegung der Graphenquelle 310, 320, 330. Die 3A-3C sollen die Bewegung der Graphenquelle veranschaulichen und zeigen nicht die Passivierungsschicht oder die Schutzschicht, obwohl hierin vorgesehen ist, dass derartige Merkmale vorhanden sein können. In verschiedenen Aspekten kann die Graphenquelle mehr als einmal entlang einer ersten Li-haltigen Oberfläche gewalzt, verschoben und/oder bewegt werden (z. B. zweimal, dreimal, viermal, fünfmal, zehnmal, usw.) und/oder in eine oder mehrere verschiedene Richtungen, z. B. hin und her, von einer Seite zur anderen, in horizontaler Richtung, in diagonaler Richtung, in einer kreisförmigen Richtung, usw. In verschiedenen Aspekten kann die Graphenquelle in Gegenwart eines Inertgases, wie beispielsweise Argon, bei einer Temperatur von etwa 15 °C bis etwa 160 °C und bei einem Druck von etwa 100 Pa bis etwa 15 MPa angewendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Aufbringen eines Polymers und/oder Polymervorläufers auf die Li-haltige Elektrode 3 beinhalten, um die Polymerbeschichtung 7 angrenzend an mindestens einen Abschnitt der Schutzschicht 4 zu bilden. Beispiele für geeignete Polymere sind unter anderem Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylsäure (PAA), Lithiumpolyacrylat (Li-PAA), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid und Kombinationen derselben. In verschiedenen Aspekten, wenn ein Polymer-Vorläufer verwendet wird, kann der Polymer-Vorläufer ein Monomer beinhalten, das zum Bilden des Polymers verwendet wird. In diesen Fällen kann der Polymer-Vorläufer und/oder das entsprechend gebildete Polymer auf eine Li-haltige Elektrode aufgebracht werden. Der Polymer-Vorläufer kann ein Polymer bilden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylsäure (PAA), Lithiumpolyacrylat (Li-PAA), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid und Kombinationen derselben. Das Polymer und/oder der Polymer-Vorläufer kann unter geeigneten Bedingungen aufgebracht werden, um die Polymerbeschichtung 7 angrenzend an die Schutzschicht 4 zu bilden. Das Polymer und/oder der Polymer-Vorläufer kann auf eine Li-haltige Elektrode mit jedem geeigneten, in der Technik bekannten Mittel aufgebracht werden. So können beispielsweise verschiedene bekannte Abscheidungstechniken verwendet werden, um die Polymerschicht aufzubringen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, physikalische Dampfabscheidung (PVD) (z. B. thermische Verdampfung, Sputtern, usw.) und chemische Dampfabscheidung (CVD) (z. B. chemische Niederdruckdampfabscheidung (LPCVD), thermische CVD, usw. In jeder Ausführungsform kann beim Aufbringen des Polymers und/oder des Polymer-Vorläufers die Abscheidungstemperatur etwa 18 °C bis etwa 150 °C, vorzugsweise etwa 18 °C bis etwa 25 °C betragen, und die Abscheidungszeit kann etwa 5 Minuten bis etwa 60 Minuten, etwa 10 Minuten bis etwa 40 Minuten oder etwa 30 Minuten betragen. Die Abscheidung kann unter Vorhandensein eines Inertgases, wie beispielsweise Ar, beispielsweise 99,9 % Reinheit Ar, durchgeführt werden. Für Sputterverfahren kann die Sputterleistung (Hochfrequenz) etwa 50 W bis etwa 200 W oder etwa 100 bis etwa 200 W betragen, und das Polymer und/oder der Polymer-Vorläufer kann aus Fluorpolymerplatten oder -scheiben gesputtert werden. Zusätzlich oder alternativ können auch nasschemische Techniken verwendet werden, wie beispielsweise die Verwendung einer Fluorpolymer-Vorläufer enthaltenden Lösung, wie beispielsweise einer monomerhaltigen Lösung, zum Beschichten einer Li-haltigen Elektrode, beispielsweise durch ein Tauch- oder Spin-Beschichtungsverfahren. Die Polymerbeschichtung kann eine Struktur aufweisen, die sich von dem während des Herstellungsverfahrens verwendeten entsprechenden Polymer und/oder Polymer-Vorläufer ableitet oder darauf basiert, die zwar ähnlich sein kann, sich aber von dem Polymer und/oder Polymer-Vorläufer unterscheiden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Polymerbeschichtung von Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylsäure (PAA), Lithiumpolyacrylat (Li-PAA), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyimid und Kombinationen derselben abgeleitet sein.
Lithiumhaltige elektrochemische Zellen
Lithiumhaltige (Li-haltige) elektrochemische Zellen beinhalten typischerweise eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, einen Elektrolyten zum Leiten von Lithiumionen zwischen der negativen und positiven Elektrode und einen porösen Separator zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode, um die Elektroden physisch zu trennen und elektrisch voneinander zu isolieren und gleichzeitig einen freien Ionenfluss zu ermöglichen. Bei der Montage in einer elektrochemischen Zelle, beispielsweise in einer Lithium-Ionen-Batterie oder einer Lithium-Schwefel-Batterie, wird der poröse Separator mit einem flüssigen Elektrolyten infiltriert.
Eine Li-haltige elektrochemische Zelle zur Verwendung in Batterien, zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie oder einer Lithium-Schwefel-Batterie, oder als Kondensator ist hierin vorgesehen. Die Li-haltige elektrochemische Zelle kann eine negative Elektrodenschicht, eine von der negativen Elektrodenschicht beabstandete positive Elektrodenschicht und einen zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der negativen Elektrodenschicht und der positiven Elektrodenschicht angeordneten porösen Separator sowie einen die negative Elektrodenschicht, die positive Elektrodenschicht und den porösen Separator infiltrierenden flüssigen Elektrolyten umfassen. Wie am besten in 4 dargestellt, beinhaltet beispielsweise eine Li-haltige elektrochemische Zelle 40 (hierin auch als „die elektrochemische Zelle 40“ oder „Zelle 40“ bezeichnet) einer Lithium-Ionen-Batterie (nicht dargestellt) eine negative Elektrodenschicht 12, eine positive Elektrodenschicht 14, einen porösen Separator 16 und einen flüssigen Elektrolyten 18, der die Oberflächen der einzelnen negativen Elektrodenschicht 12, der positiven Elektrodenschicht 14 und des porösen Separators 16 imprägniert, infiltriert oder benetzt und die Poren füllt. Ein negativer Elektrodenstromabnehmer 20 ist angrenzend und elektrisch mit der negativen Elektrodenschicht 12 gekoppelt angeordnet, und ein positiver Elektrodenstromabnehmer 22 ist angrenzend und elektrisch mit der positiven Elektrodenschicht 14 gekoppelt angeordnet.
Die negativen und positiven Elektrodenschichten 12, 14 können auf gegenüberliegenden Hauptflächen der negativen und positiven Elektrodenstromabnehmer 20, 22 beschichtet, abgeschieden oder anderweitig ausgebildet sein. Die negative Elektrodenschicht 12 beinhaltet im Verhältnis zur Position des Abscheiders 16 eine vordere Oberfläche 24 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 26. Die positive Elektrodenschicht 14 ist von der negativen Elektrodenschicht 12 beabstandet und beinhaltet auf ähnliche Weise eine vordere Oberfläche 28 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 30. In der Anordnung liegen die vorderen Oberflächen 24, 28 der negativen und der positiven Elektrode 12, 14 gegenüber, wobei der Abscheider 16 zwischen den gegenüberliegenden vorderen Oberflächen 24, 28 der negativen und der positiven Elektrode 12, 14 eingeschlossen ist. Insbesondere beinhaltet der Abscheider 16 eine erste Seite 32, die der negativen Elektrode 12 zugewandt ist und eine gegenüberliegende zweite Seite 34, der positiven Elektrode 14 zugewandt ist. Der Stromabnehmer 20 der negativen Elektrode ist mit dem hinteren Teil 26 der negativen Elektrode 12 verbunden oder steht damit in Eingriff und der Stromabnehmer 22 der positiven Elektrode ist mit der hinteren Oberfläche 30 der positiven Elektrode 14 verbunden oder steht damit in Eingriff.
Die elektrochemische Zelle 40 kann eine Dicke aufweisen, gemessen von einer Außenfläche des negativen Elektrodenstromabnehmers 20 zu einer gegenüberliegenden Außenfläche des positiven Elektrodenstromabnehmers 22 im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 1 mm. Für sich genommen können die Stromkollektoren 20, 22 Dicken von etwa 20 µm aufweisen, die Elektroden 12, 14 können Dicken von bis zu 200 µm aufweisen und der Separator 16 kann eine Dicke von etwa 25 µm aufweisen.
In einigen anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithium-Ionen-Basis.
Negative Elektrode
In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrodenschicht 12 die Li-haltige Elektrode mit einer Schutzschicht, wie vorstehend beschrieben, umfassen, beispielsweise mit einer Li-haltigen Elektrode 3a, einer ersten Schutzschicht 4a, umfassend Graphen, wie hierin beschrieben. Die Schutzschicht 4a kann angrenzend an oder auf einer ersten Li-haltigen Oberfläche 5a der Li-haltigen Elektrode 3a vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen weist die Li-haltige Elektrode 3a keine weitere Schutzschicht auf, umfassend Graphen angrenzend an oder auf einer zweiten Li-haltigen Oberfläche 6a angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die Li-haltige Elektrode 3a eine geringe Menge einer Passivierungsschicht (weniger als 20 %, weniger als 10 %, weniger als 5 % der ursprünglichen Passivierungsschicht) aufweisen oder sie weist im Wesentlichen keine (weniger als 1 %) Passivierungsschicht zwischen der ersten Li-haltigen Oberfläche 5a und der Schutzschicht 4a auf. Die negative Elektrodenschicht 12 kann das reversibles Einsetzen oder die Einlagerung von Lithiumionen bei einem niedrigeren elektrochemischen Potenzial als das Material der positiven Elektrodenschicht 14 durchlaufen, sodass eine elektrochemische Potenzialdifferenz zwischen den Elektrodenschichten 12, 14 besteht. In bestimmten Variationen kann das Material der negativen Elektrodenschicht 12 im Allgemeinen als ein Material für den Einlagerungs-Host beschrieben werden. Wie in 5 in der elektrochemischen Zelle 50 veranschaulicht, kann die Li-haltige Elektrode 3a optional auch eine Polymerbeschichtung 7a beinhalten, wie sie hierin angrenzend an die Schutzschicht 4a oder auf dieser angeordnet beschrieben ist.
Die negative Elektrodenschicht 12 kann optional auch metallisches Lithium, Legierungen auf Lithiumbasis (wie beispielsweise Lithium-Silizium-Legierung, Lithium-Aluminium-Legierung, Lithium-Indium-Legierungen), Materialien auf Kohlenstoffbasis (z. B. Graphit, Aktivkohle, Ruß und Graphen), Silizium, Legierungen auf Siliziumbasis oder Verbundwerkstoffe, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliziumoxid, Titanoxid, Lithiumtitanat und Kombinationen derselben beinhalten. Das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrodenschicht 12 kann mit einem polymeren Bindemittel vermischt sein, um der negativen Elektrodenschicht 12 strukturelle Integrität bereitzustellen. Einige Beispiele für geeignete polymere Bindemittel beinhalten Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), StyrolButadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethoxylcellulose (CMC), Polyacrylsäure und Mischungen derselben. Die negative Elektrodenschicht 12 kann gegebenenfalls Partikel eines elektrisch leitfähigen Materials beinhalten, das sehr feine Partikel von zum Beispiel Ruß mit großer Oberfläche umfassen können. In weiteren Variationen kann die negative Elektrodenschicht 12 ein Metallfilm oder eine Folie sein.
Positive Elektrode
Die positive Elektrodenschicht 14 kann jedes Material umfassen, welches das reversible Einsetzen, die Einlagerung oder Plattieren von Lithiumionen durchlaufen kann. In einer Form umfasst die positive Elektrodenschicht 14 ein lithiumbasiertes Material für den Einlagerungs-Host, das ein höheres elektrochemisches Potenzial als das Material für den Einlagerungs-Host der negativen Elektrodenschicht 12 aufweist. Das Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrodenschicht 14 kann in bestimmten Variationen ein geschichtetes Oxid der Formel LiMeO₂, ein olivinartiges Oxid der Formel LiMePO₄, ein spinelartiges Oxid der Formel LiMe₂O₄ oder eine Kombination derselben umfassen, wobei Me ein Übergangsmetall ist. Einige Beispiele geeigneter Übergangsmetalle für das Metalloxid des Materials für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrodenschicht 14 beinhalten Co, Ni, Mn, Fe, Al, V, und Kombinationen davon. Insbesondere kann das Wirtsmaterial für die Interkalation ein geschichtetes Lithium-Übergangsmetalloxid, wie etwa Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂) und Lithium-Nickel-Magnesium-Cobaltoxid [Li(Ni_XMn_YCo_Z)O₂], ein Spinel-Lithiumübergangsmetalloxid, wie etwa Spinel-Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄), oder Lithiumfluorphosphat (Li₂FePO₄F), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂), Lithiumaluminiummanganoxid (Li_XAl_YMn_1-YO₂), Lithiumvanadiumoxid (LiV₂O₅), oder eine Kombination derselben umfassen. Dieselben polymeren Bindemittel-Materialien (PVdF, EPDM, SBR, CMC, Polyacrylsäure) und elektrisch leitfähigen Partikeln (Ruß mit großer Oberfläche), die in der negativen Elektrodenschicht 12 verwendet werden, können auch mit dem lithiumbasierten Material für den Einlagerungs-Host der positiven Elektrodenschicht 14 für dieselben Zwecke verwendet werden.
Alternativ kann die positive Elektrodenschicht 14 beispielsweise Schwefel umfassen, wobei die elektrochemische Zelle als Lithium-Schwefel-Batterie verwendet wird. Während in Lithium-Ionen-Batterien Lithium in die aktiven Materialien der Elektrode eingelagert wird, löst sich das Lithium in einer Lithium-Schwefel-Batterie von der negativen Elektrode und wandert zur positiven Elektrode, wobei es während der Entladung reagiert/plattiert, während es sich während der Ladung auf der negativen Elektrode befindet. In einer Lithium-Schwefel-Batterie können positive Elektroden elementaren Schwefel als aktives Material oder ein schwefelhaltiges aktives Material aufweisen.
Elektrolyt
Der Elektrolyt 18 kann jedes Material umfassen, das imstande ist, Lithiumionen effektiv durch den porösen Separator 16 und zwischen den negativen und der positiven Elektrodenschichten 12, 14 zu leiten. So kann beispielsweise der Elektrolyt 18 einen nichtwässrigen flüssigen Elektrolyt umfassen. In einem solchen Fall kann der flüssige Elektrolyt 18 eine Lösung umfassen, die ein Lithiumsalz beinhaltet, das in einem nicht wässrigen, aprotischen, organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus nicht wässrigen, aprotischen organischen Lösungsmitteln aufgelöst oder ionisiert ist. Einige geeignete Lithiumsalze, die verwendet werden können, um den Elektrolyt 18 zu erzeugen, beinhalten LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiPF₆, und Kombinationen derselben. Das nicht-wässrige, aprotische organische Lösungsmittel, in dem das Lithiumsalz aufgelöst ist, kann ein cyclisches Carbonat (d. h. Ethylencarbonat, Propylencarbonat), ein acylisches Carbonat (d. h. Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), ein aliphatischer Carbonsäureester (d. h. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat) ein γ-Lacton (d. h. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), ein acyclischer Ether (d. h. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), ein cyclischer Ether (d. h. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) oder eine Mischung davon sein. In einigen Ausführungsformen kann der Elektrolyt fluorhaltige Zusatzstoffe beinhalten, wie beispielsweise Fluorethylencarbonat, jedoch nicht beschränkt auf diese. Alternativ kann der Elektrolyt keine fluorhaltigen Additive beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann der Elektrolyt ein etherhaltiger Elektrolyt sein, beispielsweise ein Lithiumsalz in einem Etherlösungsmittel, wie beispielsweise Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid in 1,2-Demethoxyethan.
Elektrodenstromabnehmer
Die Stromabnehmer 20, 22 der negativen und der positiven Elektrode, die der jeweils negativen und positiven Elektrode 12, 14 zugeordnet sind, können jedes metallische Material umfassen, das imstande ist, freie Elektronen aufzusammeln reversibel zu und von ihren entsprechenden Elektroden 12, 14 durchfließen zu lassen. Zum Beispiel können die Stromabnehmer 20, 22 der positiven und der negativen Elektrode dünne und flexible metallische Folien umfassen. In einigen spezifischen Beispielen kann der positive Elektrodenstromabnehmer 22 Aluminium-, Nickel- oder Edelstahlfolien und der negative Elektrodenstromabnehmer 20 Kupfer-, Nickel-, Edelstahl- oder Titanfolien umfassen. Andere Arten von Metallfolien oder metallischen Materialien können auf Wunsch natürlich verwendet werden.
Poröser Abscheider
Der poröse Abscheider 16 kann gegebenenfalls einen mikroporösen polymeren Abscheider beinhalten, der ein Polyolefin (einschließlich derjenigen aus einem Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil)) beinhaltet, das entweder linear oder verzweigt sein kann. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein oder ein mehrschichtiger strukturierter poröser Film aus PE und/oder PP. Handelsübliche poröse Polyolefin-Abscheider-Membrane beinhalten CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator) von Celgard LLC.
Wenn der poröse Abscheider 16 ein mikroporöser, polymerer Abscheider ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Abscheider 16 bilden. In weiteren Aspekten kann der Abscheider 16 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Abscheider 16 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse Polymerabscheider 16 kann auch zusätzlich oder alternativ andere Polymere beinhalten, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamiden (Nylon), Polyurethanen, Polykarbonaten, Polyester, Polyetheretherketonen (PEEK), Polyethersulfonen (PES), Polyimiden (PI), Polyamidimiden, Polyethern, Polyoxymethylen (z. B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polyolefincopolymeren, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polystyrol-Copolymeren, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polysiloxanpolymeren (wie etwa Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylenen, Polyarylen-Eetherketonen, Polyperfluorocyclobutan, Polyvinylidenfluorid-Copolymere (z. B. PVdF - Hexafluorpropylen oder (PVdF-HFP)) und Polyvinylidenfluorid-Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristallinen Polymeren (z. B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramiden, Polyphenylenoxid, Zellulosematerialien, mesoporöse Kieselsäure und/oder Kombinationen derselben.
Des Weiteren kann der poröse Abscheider 16 mit einem keramischen Material gemischt oder dessen Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet werden. Eine keramische Beschichtung kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) oder Kombinationen derselben beinhalten. Verschiedene konventionelle Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Abscheiders 16 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Abscheider 16 herzustellen.
Batterie
Unter Bezugnahme auf 6 kann die elektrochemische Zelle 40 (wie in 4 dargestellt) mit einer oder mehreren anderen elektrochemischen Zellen kombiniert werden, um eine Lithium-Ionen-Batterie 400 herzustellen. Die in 6 veranschaulichte Lithium-Ionen-Batterie 400 beinhaltet mehrere rechteckig geformte elektrochemische Zellen 410. Überall können 5 bis 150 elektrochemische Zellen 410 in einer modularen Konfiguration Seite an Seite gestapelt und in Reihe oder parallel zu einer Lithium-Ionen-Batterie 400 geschaltet werden, beispielsweise für den Einsatz in einem Fahrzeugantriebsstrang. Die Lithium-Ionen-Batterie 400 kann ferner mit anderen ähnlich aufgebauten Lithium-Ionen-Batterien in Serie oder parallel geschaltet werden, um einen Lithium-Ionen-Batteriepack zu bilden, der die für eine bestimmte Anwendung, z. B. für ein Fahrzeug, erforderliche Spannungs- und Stromkapazität aufweist. Es sollte verstanden werden, dass die in 6 dargestellte Lithium-Ionen-Batterie 400 nur eine schematische Darstellung ist, und nicht dazu bestimmt ist, über die relativen Größen der Komponenten irgendwelcher elektrochemischer Zellen 410 zu informieren oder die große Vielfalt an strukturellen Konfigurationen, die eine Lithium-Ionen-Batterie 400 annehmen kann zu begrenzen. Verschiedene strukturelle Modifikationen der in 6 dargestellten Lithium-Ionen-Batterie 400 sind trotz des explizit Dargestellten möglich.
Jede elektrochemische Zelle 410 beinhaltet eine negative Elektrode 412, eine positive Elektrode 414 und einen zwischen den zwei Elektroden 412, 414 positionierten Abscheider 416. Jede aus der negativen Elektrode 412, der positiven Elektrode 414, und dem Separator 416 ist mit einem flüssigen Elektrolyten imprägniert, infiltriert oder benetzt, der Lithiumionen transportieren kann. Ein Stromabnehmer 420 der negativen Elektrode, der eine negative Polaritätslasche 444 beinhaltet, befindet sich zwischen den negativen Elektroden 412 der benachbarten elektrochemischen Zellen 410. Gleichermaßen befindet sich ein Stromabnehmer 422 einer positiven Elektrode, die eine positive Polaritätslasche 446 beinhaltet, zwischen benachbarten positiven Elektroden 414. Die negative Polaritätslasche 444 ist mit einem negativen Anschluss 448 elektrisch verbunden und die positive Polaritätslasche 446 ist mit einem positiven Anschluss 450 elektrisch verbunden. Eine angewandte Kompressionskraft drückt die Stromkollektoren 420, 422 normalerweise gegen die Elektroden 412, 414, und die Elektroden 412, 414 gegen den Abscheider 416, um einen engen Grenzflächenkontakt zwischen den jeweiligen sich berührenden Komponenten jeder elektrochemischen Zelle 410 zu erzielen.
Eine oder mehrere der negativen Elektroden 412 können eine Li-haltige Elektrode umfassen, wie die in den 1A und 1C abgebildete Li-haltige Elektrode 1 und 100. In diesem Fall können die eine oder die mehreren negativen Elektroden 412 jeweils eine Li-haltige Elektrode, eine Schutzschicht, umfassend Graphen angrenzend an eine erste Li-haltige Oberfläche der Li-haltigen Elektrode, und optional eine Polymerbeschichtung angrenzend an die Schutzschicht beinhalten, wie hierin beschrieben.
In der in 6 abgebildeten Ausführungsform beinhaltet die Batterie 400 zwei Paare von positiven und negativen Elektroden 412, 414. In weiteren Ausführungsformen kann die Batterie 400 mehr als zwei Paare der positiven und negativen Elektrodenschichten 412, 414 beinhalten. Die Batterie 400 kann in einer Form 15-60 Paar positive und negative Elektroden 412, 414 beinhalten. Darüber hinaus besteht die in 6 dargestellte Batterie 400 zwar aus einer Vielzahl von diskreten Elektroden 412, 414 und Abscheider 416, jedoch sind andere Anordnungen durchaus möglich. So können beispielsweise anstelle der diskreten Abscheider 416 die positiven und negativen Elektroden 412, 414 voneinander getrennt werden, indem ein einziges kontinuierliches Separatorblatt zwischen den positiven und negativen Elektroden 412, 414 gewickelt oder verwebt wird. In einem weiteren Beispiel kann die Batterie 400 kontinuierliche und sequentiell gestapelte positive Elektroden-, Separator- und negative Elektrodenbleche beinhalten, die zu einer „Geleerolle“ gefaltet oder zusammengerollt werden.
Die negativen und die positiven Anschlüsse 448, 450 der Lithiumionenbatterie 400 sind mit einer elektrischen Vorrichtung 452 als Teil einer ununterbrochenen Schaltung 454 verbunden, die zwischen den negativen Elektroden 412 und den positiven Elektroden 414 der vielen elektrochemischen Zellen 410 eingerichtet ist. Die elektrische Vorrichtung 452 kann eine elektrische Last oder eine Stromerzeugungsvorrichtung umfassen. Eine elektrische Last ist eine stromverbrauchende Vorrichtung, die entweder vollständig oder teilweise von einer Lithiumionenbatterie 400 angetrieben wird. Umgekehrt ist eine Stromerzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung, die die Lithiumionenbatterie 400 durch eine angelegte externe Spannung auflädt. Die elektrische Last und die Stromerzeugungsvorrichtung können in einigen Fällen dieselbe Vorrichtung sein. Zum Beispiel kann die elektrische Vorrichtung 452 ein elektrischer Motor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit erweiterter Reichweite sein, das konzipiert wurde, um während dem Beschleunigen mit elektrischem Strom aus der Lithiumionenbatterie 400 versorgt zu werden und die Lithiumionenbatterie 400 während dem Abbremsen mit regenerativem elektrischem Strom zu versorgen. Die elektrische Last und die Stromerzeugungsvorrichtung können auch unterschiedliche Vorrichtungen sein. Zum Beispiel kann die elektrische Last ein Elektromotor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite sein und die Stromerzeugungsvorrichtung kann eine AC-Wandsteckdose, ein Verbrennungsmotor, und/oder eine Fahrzeuglichtmaschine sein.
Die Lithiumionenbatterie 400 kann der elektrischen Vorrichtung 452 nützlichen elektrischen Strom mittels reversibler elektrochemischer Reaktionen bereitstellen, die in den elektrochemischen Zellen 410 stattfinden, wenn der unterbrechbare Stromkreis 454 geschlossen wird, um den negativen Anschluss 448 und den positiven Anschluss 450 zu einer Zeit miteinander zu verbinden, zu der die negativen Elektroden 412 eine ausreichende Menge von eingelagertem Lithium (d. h. während des Entladens) enthält. Wenn die negativen Elektroden 412 von eingelagertem Lithium verbraucht sind und die Kapazität der elektrochemischen Zellen 410 verbraucht ist, kann die Lithiumionenbatterie 400 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Spannung, die von der elektrischen Vorrichtung 452 ausgeht, an die elektrochemischen Zellen 410 angelegt wird, um die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung aufgetreten sind, umzukehren.
Obwohl dies nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, kann die Lithiumionenbatterie 400 eine große Palette anderer Komponenten beinhalten. Zum Beispiel kann die Lithiumionenbatterie 400 Gehäuse, Dichtungen, Anschlussklemmen, und sonstige wünschenswerte Komponenten oder Materialien beinhalten, die aus leistungsbezogenen oder sonstigen praktischen Gründen zwischen den oder um die elektrochemischen Zellen 410 herum positioniert sind, beinhalten. Zum Beispiel kann die Lithiumionenbatterie 400 innerhalb eines Gehäuses (nicht dargestellt) eingeschlossen sein. Das Gehäuse kann ein Metall, wie etwa Aluminium oder Stahl umfassen, oder das Gehäuse kann ein Folienbeutelmaterial mit mehreren Schichten für eine Laminierung umfassen. In einer Form können lithiierten Zeolithpartikel auf einer Oberfläche des Gehäuses für die Lithiumionenbatterie 400 (nicht dargestellt) angeordnet sein.
BEISPIELE
Beispiel 1-Vorbereitung der Elektrode
Eine Li-Elektrode ohne Graphenschutzschicht wurde von MTI Corp. erworben. Eine dünne Schicht Graphen wurde auf die Li-Elektrode mit einer hochgerichteten pyrolytischen Graphit-(HOPG)-Platte aufgebracht. Die HOPG-Platte wurde mit Druck um 20000 Pa auf eine Li-haltige Oberfläche der Li-Elektrode gepresst und in eine Richtung verschoben, um eine Passivierungsschicht auf der Li-Elektrode zu entfernen. Die frisch freiliegende Li-Metalloberfläche hat die HOPG-Platte kontaktiert und eine starke Verbindung zu HOPG gebildet. Auf der Li-haltigen Oberfläche verblieb eine Schicht Graphen aus der HOPG-Plattierung, die als Schutzschicht zum Bilden der „beschichteten Li-Elektrode“ beitrug. Die 7A, 7B und 7C sind Rasterelektronenmikroskopie-(FE-SEM)-Bilder der beschichteten Li-Elektrode, die verschiedene Positionen der Schutzschicht darstellen, umfassend Graphen, das auf der lithiumhaltigen Elektrode vorliegt
Zu Vergleichszwecken wurde eine Li-Elektrode ohne Graphenschutzschicht, die von MTI Corp. erworben wurde, verwendet (bezeichnet als „Vergleichende Li-Elektrode“), ebenfalls wie nachstehend beschrieben getestet wurde.
Beispiel 2-Leistungsprüfung
Die beschichtete Li-Elektrode und die vergleichende Li-Elektrode wurden jeweils in symmetrischen 2030er Knopfzellen verwendet (sowohl die positiven als auch die negativen Elektroden waren gleich) und jeweils in einem Elektrolyten, 1M LiPF₆ in Ethylencarbonat/Diethylcarbonat (1:1 Gew.-%). Für jede Knopfzelle wurde der Elektrolyt bei 75 µl gehalten. Als Separator wurde eine mit Aluminiumoxid-Nanopartikeln beschichtete Polyethylenmembran verwendet. Die Abschaltspannung betrug ± 1 Volt. Die Stromdichte betrug 1 mA/cm² und die Lade-/Entladekapazität 4 mAh/cm². Die elektrochemische Prüfung wurde unter Verwendung von Arbin BT2000 durchgeführt. Die 8 und 9 verdeutlichen die Spannung (Volt) über die Prüfzeit (Stunden) für die beschichtete Li-Elektrode 520 und die Vergleichselektrode 525, wobei die y-Achse 505 die Spannung (V) und die x-Achse 510 die Prüfzeit (Stunden) darstellt. Wie in den 8 und 9 dargestellt, zeigte die beschichtete Li-Elektrode mit Schutzschicht eine verbesserte Zyklenfestigkeit. Die beschichtete Li-Elektrode wies auch eine geringere Überspannung auf, was darauf hindeutet, dass ein relativ stabiler SEI auf der Elektrodenoberfläche gebildet wurde, einschließlich der Graphenbeschichtung und weniger Elektrolytzerlegung
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einer Elektrode mit einer ersten Li-haltigen Oberfläche, umfassend: Entfernen einer Passivierungsschicht auf einer ersten Li-haltigen Oberfläche der Elektrode durch Aufbringen einer Graphenquelle auf die erste Li-haltige Oberfläche der Elektrode; und Bilden einer Schutzschicht angrenzend an mindestens einen Abschnitt der ersten Li-haltigen Oberfläche, worin die Schutzschicht Graphen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schutzschicht eine Dicke von etwa 0,4 nm bis etwa 200 nm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Graphenquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit, einer Graphennanoplatte, einem Mehrschichtgraphen, einem Graphenoxid, Ruß und einer Kombination derselben.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Graphenquelle in Form von Partikeln, einem Papier oder einer Rolle vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schutzschicht im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Entfernen der Passivierungsschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Passivierungsschicht Lithiumoxid, Lithiumcarbonat, Lithiumnitrid, Lithiumhydroxid oder eine Kombination derselben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Graphenquelle in Gegenwart eines Inertgases und bei einer Temperatur von etwa 15 °C bis etwa 160 °C angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schutzschicht durch nicht-kovalente Wechselwirkungen an die erste Li enthaltende Oberfläche gebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Aufbringen eines Polymers oder Polymervorläufers, um eine Polymerbeschichtung zu bilden, die an mindestens einen Abschnitt der Schutzschicht angrenzt.