DE102019115494A1

DE102019115494A1 - Lithiummetallelektrode mit künstlicher feststoff-elektrolyt-interphase

Info

Publication number: DE102019115494A1
Application number: DE102019115494.4A
Authority: DE
Inventors: Katharina Thanner; Stefan Sedlmaier; Daniel Buchholz; Stefano Passerini
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen Feststoff-Elektrolyt-Interphase, SEI, auf einer Lithium enthaltenden Elektrode einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, aufweisend: Bereitstellen einer Präkursor-Lösung, die konfiguriert ist, das Ausbilden einer nativen Schicht auf einer Oberfläche der Elektrode zu hemmen; und mechanisches Erzeugen direkt in der Präkursor-Lösung einer frischen Oberfläche auf der Elektrode unter Ausbildung der künstlichen SEI auf der frischen Oberfläche der Elektrode. Die Erfindung betrifft auch eine Lithium enthaltende Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer solchen SEI sowie eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer solchen Elektrode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen Feststoff-Elektrolyt-Interphase auf einer Lithium enthaltenden Elektrode einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Lithium enthaltende Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer solchen künstlichen Feststoff-Elektrolyt-Interphase sowie eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer solchen Elektrode.
Eine Batteriezelle einer Lithium-Ionen-Batterie enthält bekanntermaßen eine negative Elektrode (Anode) und eine positive Elektrode (Kathode), die mittels eines für Lithium-Ionen durchlässigen Separators voneinander getrennt sind, und einen Elektrolyten. Lithium-Ionen-Batterien, spielen derzeit im Bereich der erneuerbaren Energien als auch im Bereich der Elektromobilität eine bedeutende Rolle.
Die Anode einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann Graphit enthalten, in das beim Vorgang des Ladens Lithium-Ionen interkalieren. Bei einem Entladevorgang deinterkalieren die Lithium-Ionen aus dem Graphit und wandern durch den Separator hindurch zur Kathode. Weil Graphit eine Wirtsstruktur aufweist, in die nur eine relativ kleine Menge Lithium interkaliert werden kann (LiC₆), sind Energiegehalt und Energiedichte von Batteriezellen mit graphitbasierter Anode relativ gering. Um eine höhere Energiedichte für Batteriezellen zu erreichen, ist Lithiummetall, das mit 3860 Ah/kg eine viel höhere spezifische Kapazität besitzt, als Anodenmaterial vorgesehen. Der Einsatz von Lithium als Anodenmaterial ist jedoch problematisch, weil sich beim Ladevorgang das Lithium auf der Anode unregelmäßig/inhomogen abscheiden kann, und sich durch dieses unregelmäßige Abscheiden auf der Anode Lithium-Dendriten bilden können. Diese Dendriten können mit der Zeit durch den Separator wachsen und einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verursachen. Auch weist das frisch abgeschiedene Lithium keine schützende Feststoff-Elektrolyt-Interphase (in der Fachsprache auch als solid electrolyte interphase oder kurz SEI bezeichnet) auf, wodurch es direkt mit dem Elektrolyten reagiert. Dadurch wird ein Teil des Lithiumreservoirs in der Zelle verbraucht und kann nicht mehr für folgende Lade-/Entladezyklen zur Verfügung stehen. Dies wiederum führt zu einer verringerten Lebensdauer der Zelle. Um das Entstehen/Wachsen von Dendriten auf Lithiummetallanoden einzuschränken/zu verhindern, werden Lithiummetallanoden mit einer künstlichen SEI beschichtet.
Die Oberfläche einer unbeschichteten (unbehandelten) Lithiumanode weist einen deutlich höheren Grenzflächenwiderstand auf als eine mit einer künstlichen SEI beschichtete, was die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Zelle einschränkt.
1a zeigt zeitabhängige elektrochemische Impedanz Spektren (EIS) von einer symmetrischen Lithiumzelle mit zwei unbehandelten Lithium-Elektroden, einem Whatman GF/A Separator und LP 30 Elektrolyt. Die Spektren wurden während eines Alterungstests von acht Tagen aufgenommen. Der Realteil der Impedanz, Re(Z'), der dem zwei-fachen Grenzflächenwiderstand der SEI einer Elektrode entspricht, steigt innerhalb von acht Tagen von ca. 200 Ohm/cm² auf ca. 500 Ohm/cm² an. In der 1a und allen folgenden Figuren, in denen elektrochemische Impedanzspektren dargestellt sind, stellt die Ordinate den imaginären Teil der Impedanz Z'' und die Abszisse den Realteil der Impedanz Z' dar.
Die symmetrische Lithiumzelle wurde bei einer Stromdichte von 0,1 mA/cm² galvanostatisch zyklisiert (Potentialobergrenze ist 0,5 V). Die während der Zyklisierung aufgenommene Überspannung (Überpotential) ist in 1b dargestellt. Die Überspannungen von ca. ±0,045 mV sind höher als für Zellen mit einer künstlichen SEI und reduzieren sich während der Zyklisierung auf ca. ±0,020 mV. Diese deutliche Reduktion der Überspannung sowie der Anstieg des Grenzflächenwiderstandes während des Alterungstestes zeigen, dass die Oberfläche nicht stabil ist und Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten stattfinden.
In einem von Nazar et al. entwickelten Verfahren wird die künstliche SEI unter Schutzatmosphäre auf eine Lithiummetallanode aufgetragen, dabei erfolgt das Aufbringen der künstlichen SEI durch Tauchbeschichtung (Dip-Coating) in einer Präkursor-Lösung. Weil Lithium extrem reaktiv ist, kann sich selbst unter Schutzatmosphäre mit sehr geringem Sauerstoff- und Wassergehalt eine native SEI auf der Oberfläche der Anode ausbilden, auf die die künstliche SEI aufgetragen wird. Die Präsenz der nativen SEI (aufgrund ihrer passivierenden Eigenschaften) beeinflusst die Reaktion des Lithiums mit der Präkursor-Lösung, was sich auf die Morphologie der der Oberfläche auswirkt.
2a zeigt die Rasterelektonenmikroskop-Aufnahme (REM-Aufnahme) einer Oberfläche einer Lithiummetallanode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. mit einer Präkursor-Lösung von 0,167 M Zinkchlorid (ZnCl2) in Tetrahydrofuran (THF) beschichtet wurde. Die Figur zeigt Zink enthaltende Partikel, die zu stäbchenförmigen Anhäufungen agglomerieren. Abseits dieser Anhäufungen können keine Zink enthaltenden Partikel identifiziert werden. Das zeigt auch das entsprechende EDX-Spektrum von Zink, welches in 2b gezeigt ist. Der Grenzflächenwiderstand der Oberfläche ist mit 20 - 25 Ω/cm² weiterhin relativ hoch, was auf die Ausbildung der künstlichen SEI auf die native SEI zurückzuführen sein dürfte.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Grenzflächenwiderstand zwischen einer an einer Lithiummetallanode angebrachten künstlichen SEI und der Lithiummetallanode zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen Feststoff-Elektrolyt-Interphase, SEI, auf einer Lithium enthaltenden Elektrode einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, aufweisend:

Bereitstellen einer Präkursor-Lösung, die konfiguriert ist, das Ausbilden einer nativen Schicht auf einer Oberfläche der Elektrode zu hemmen; und
mechanisches Erzeugen direkt in der Präkursor-Lösung einer frischen Oberfläche auf der Elektrode unter Ausbildung der künstlichen SEI auf der frischen Oberfläche der Elektrode.

Dadurch kann eine künstliche SEI unmittelbar auf die frische Oberfläche der Elektrode ausgebildet und eine native SEI vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Präkursor-Lösung mittels Zugabe von wenigstens einem Metallsalz in ein organisches Lösungsmittel bereitgestellt.
Dadurch kann das Lithium das in der Präkursor-Lösung enthaltene Metallsalz reduzieren und eine Lithium-Metall-Legierung bilden, welche die Lithiumoberfläche stabilisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Konzentration des Metallsalzes in dem Präkursor größer oder gleich 0,1 M und überschreitet nicht die Löslichkeit des Metallsalzes in dem organischen Lösungsmittel.
Dadurch können sich Metall enthaltende Partikel auf der Lithiumoberfläche bilden und diese im Wesentlichen homogen bedecken, wobei die Homogenität der Bedeckung mit zunehmender Konzentration besser wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metallsatz ZnCl2.
Dadurch kann sich eine Lithium-Zink-Legierung auf der Lithiumoberfläche bilden, welche einerseits die Lithiumoberfläche während Lade-/Entladevorgängen stabilisiert, und anderseits, durch einen Potenzialgradienten in der Legierung den Lithium-Ionen Transport so lenken, dass ihre Abscheidung auf der Lithiumoberfläche homogen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Präkursor-Lösung ein organisches fluorhaltiges Carbonat, insbesondere Fluor-Ethylencarbonat, FEC.
Dadurch kann auf der Lithiumoberfläche eine Fluorid-basierte künstliche SEI ausgebildet werden, die sehr stabil ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Erzeugen der frischen Oberfläche durch einen oder eine Kombination von folgenden Prozessen durchgeführt: Schneiden, Polieren und Abspanen.
Dadurch kann die frische Oberfläche mit einfachen Mitteln effektiv erzeugt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektrode zwei gegenüberliegende Seitenflächen auf und die frische Oberfläche zumindest eine Seitenfläche.
Dadurch kann die Elektrode gestapelt oder zu einer Jelly-Roll gerollt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das organische Lösungsmittel zumindest eines der Folgenden: Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat/Propylencarbonat (EC/PC) und Tetrahydrofuran (THF).
Dadurch kann die Präkursor-Lösung effizient bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrode eine Lithiummetallelektrode.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, erhältlich durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Dadurch kann der Grenzflächenwiderstand der künstlichen SEI weiter reduziert und die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Elektrode verbessert werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, wobei:

die Elektrode aus einem Elektrodenmaterial gefertigt ist, welches Lithium enthält;
unmittelbar auf dem Elektrodenmaterial der Oberfläche der Elektrode in zumindest einem Oberflächenabschnitt eine künstliche Feststoff-Elektrolyt-Interphase, SEI, ausgebildet ist,
die SEI eine Vielzahl von ein Metall enthaltende Partikel aufweist, die insgesamt den zumindest einem Oberflächenabschnitt, auf dem die SEI ausgebildet ist, zumindest überwiegend bedecken; und
die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge aufweisen, die 1µm nicht überschreitet.

Dadurch kann der Grenzflächenwiderstand der künstlichen SEI weiter reduziert und die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Elektrode verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge auf, die 0,5 µm nicht überschreitet; oder die SEI weist einen Grenzflächenwiderstand auf, der nicht größer als 5 Ohm/cm² ist.
Dadurch kann die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Elektrode optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metall Zink und die SEI enthält des Weiteren ein Chlorid.
Dadurch kann Grenzflächenwiderstand der künstlichen SEI niedrig gehalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial Lithiummetall.
Dadurch kann die mögliche Energiedichte der Elektrode maximiert und das mechanische Erzeugen der Oberfläche erleichtert werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Elektrode.
Dadurch kann die Lebensdauer der Batteriezelle verlängert werden.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander sowie mit den weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend auch für die weiteren Aspekte der Erfindung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Figurenliste

1a während einem Alterungstest aufgenommene zeitabhängige elektrochemische Impedanz Spektren (EIS) einer symmetrischen Lithiumzelle mit zwei unbehandelten Lithium-Elektroden,
1b das Überpotential/Überspannung dieser Zellen während der Zyklisierung;
2a die REM-Aufnahme einer Oberfläche einer Lithiummetallanode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. beschichtet wurde;
2b ein EDX-Spektrum von Zink einer Oberfläche einer Lithiummetallanode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. beschichtet wurde;
3 schematisch eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
4 schematisch ein Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen SEI auf einer frischen Oberfläche einer Lithiummetallelektrode;
5 eine SEM-Aufnahme einer unbehandelten (frischen) Lithiumoberfläche;
6a eine erste SEM-Aufnahme einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet wurde;
6b eine zweite SEM-Aufnahme einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer ersten Ausführungsform beschichtet wurde;
6c ein EDX-Spektrum von Zink einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer ersten Ausführungsform beschichtet wurde;
7 während einem Alterungstest aufgenommene elektrochemische Impedanz-Spektren (EIS) einer Testzelle gemäß einer ersten Ausführungsform;
8 elektrochemische Impedanz-Spektren von drei identischen Testzellen gemäß der ersten Ausführungsform;
9a eine SEM-Aufnahme einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer zweiten Ausführungsform beschichtet wurde;
9b ein EDX-Spektrum von Zink einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer zweiten Ausführungsform beschichtet wurde;
10 während einem Alterungstest aufgenommene elektrochemische Impedanz-Spektren (EIS) einer Testzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform;
11a eine SEM-Aufnahme einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer dritten Ausführungsform beschichtet wurde;
11b ein EDX-Spektrum von Zink einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer dritten Ausführungsform beschichtet wurde;
12 den Einfluss der Konzentration von ZnCl₂ in THF auf den Grenzflächenwiderstand;
13a eine SEM-Aufnahme einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet wurde;
13b ein EDX-Spektrum von Zink einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer vierten Ausführungsform beschichtet wurde;
13c ein EDX-Spektrum von Chlor einer Lithiumoberfläche, die gemäß einer vierten Ausführungsform beschichtet wurde;
14 elektrochemische Impedanz-Spektren von vier identischen Testzellen gemäß einer vierten Ausführungsform;
15a während einem Alterungstest aufgenommene zeitabhängige elektrochemische Impedanz Spektren einer Testzelle gemäß einer fünften Ausführungsform,
15b die Überspannung dieser EL-Zellen während der Zyklisierung;
16a einen Vergleich von Überspannungen von Testzellen gemäß der dritten und fünften Ausführungsform im Vergleich; und
16b einen Vergleich von Überspannungen von Testzellen gemäß der ersten und fünften Ausführungsform im Vergleich.

In 3 ist eine erfindungsgemäße Batteriezelle 100 dargestellt. Diese enthält eine erfindungsgemäße Anode 101, einen Separator 105, eine Kathode 102 und einen Elektrolyten (der in der Figur nicht dargestellt ist). Die erfindungsgemäße Anode 101 weist auf: eine Schicht/Lage 104, die Lithium enthält, und eine künstliche Feststoff-Elektrolyt-Interphase (im Folgenden auch als künstliche SEI bezeichnet) 103, welche zumindest eine erste Großfläche der Schicht 104 bedeckt und eine erste Großfläche der Anode 101 bildet. Vorzugsweise ist die Anode 101 eine Lithiummetallanode. Die künstliche SEI 103 kann auch eine zweite Großfläche der Anode 101 bedecken, die der ersten Großfläche gegenüberliegt, und eine zweite Großfläche der Anode 101 bilden. Die künstliche SEI 103 kann auch, wie in 3 dargestellt, die gesamte Oberfläche der Schicht 104 bedecken.
Die künstliche SEI 103 weist eine Vielzahl von ein Metall enthaltende Partikel auf, die den Oberflächenabschnitt, auf dem die SEI ausgebildet ist, bedecken. Ferner weisen die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge auf, die 1 µm nicht überschreitet. Vorzugsweise weisen die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge auf, die 0,5 µm nicht überschreitet; und/oder die SEI hat einen Grenzflächenwiderstand, der nicht größer als 5 Ohm/cm² ist. Dabei entspricht der Grenzflächenwiderstand der SEI dem elektrischen Widerstand, der zwischen der Anoden- oder Elektrodenschicht 104 und dem Elektrolyten gemessen wird.
Mehrere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anode/Elektrode 101 werden später noch beschrieben.
Der Separator 105 grenzt mit einer ersten Großfläche an die erste Großfläche der Anode 101 und mit einer der ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche an eine Großfläche der Kathode 102 zur elektrischen Trennung zwischen Anode 101 und Kathode 102.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle 100 kann erweitert werden, indem an die zweite Grenzfläche der Anode 101 ein weiterer Separator 105' mit einer seiner Großflächen grenzt, und mit der anderen Großfläche der andere Separator 105' an eine weitere Kathode 102' grenzt.
Eine derart gebildete Folge von sich abwechselnden Anoden und Kathoden, bei der jede Anode von ihr benachbarten Kathode durch einen Separator elektrisch getrennt ist, kann zusammen mit dem Elektrolyten in einem Gehäuse (das in der Figur nicht dargestellt ist) untergebracht werden.
Bei einem Ladevorgang der erfindungsgemäßen Batteriezelle 100 scheiden sich die Lithium-Ionen auf dem Lithium-Metall der Anode 101 ab, ohne dass sich dabei Dendriten an der Anode 101 bilden. Bei einem Entladevorgang der erfindungsgemäßen Batteriezelle 100 lösen sich die Lithium-Ionen aus dem Lithium-Metall der Anode 101 und wandern durch den Separator 105 hindurch zur Kathode 102.
In 4 ist schematisch ein Verfahren zur Ausbildung der künstlichen SEI 103 auf der frischen Oberfläche einer Lithiummetallelektrode einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle dargestellt. Die Lithiummetallelektrode kann beispielsweise eine Anode einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle sein.
Unter einer frischen Oberfläche der Lithiummetallelektrode im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine unbehandelte Oberfläche der Lithiummetallelektrode zu verstehen. 5 zeigt eine SEM-Aufnahme einer unbehandelten (frischen) Lithiumoberfläche. Diese weist keine kristallinen Oberflächenstrukturen auf, ist glatt und homogen. Die Streifen auf der Oberfläche stammen vom Schneideprozess mit Wolframdraht, und zeigt, dass der Schneideprozess die Oberflächenstruktur der Lithiummetall-Elektrode beeinflussen kann. Bei beschichteten Elektroden sind jedoch keine Streifen auf der Oberfläche sichtbar, daher kann der Einfluss dieser Inhomogenität (Streifen) auf die Reaktion von Lithium mit dem Präkursor vernachlässigt werden. Auf einer frischen Oberfläche ist keine native SEI ausgebildet, hat keine Oxidation stattgefunden, und sind keine Nitride und Hydrooxide gebildet worden.
Eine native SEI auf einer Lithiummetallelektrode kann eine SEI sein, die sich auf der Lithiummetallelektrode während den ersten Ladevorgängen (beispielsweise durch chemische Reaktion mit dem Elektrolyten) gebildet hat. Eine native SEI kann sich auf einer Lithiummetallelektrode auch durch Oxidation, Hydroxidbildung oder Nitridbildung durch den Kontakt mit Luftatmosphäre und deren Bestandteilen ausbilden.
Im Unterschied dazu wird eine künstliche SEI vor dem ersten Ladevorgang der Lithiummetallelektrode durch ein spezielles Verfahren auf der Oberfläche der Lithiummetallelektrode ausgebildet. Das in 4 gezeigte Verfahren ist ein solches Verfahren. Es weist einen Schritt S201 auf, bei dem eine Präkursor-Lösung beispielsweise durch Zugabe von einem Metallsalz in ein organisches Lösungsmittel bereitgestellt wird. Als organisches Lösungsmittel kann dabei eine der folgenden Substanzen verwendet werden: Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat/Propylencarbonat (EC/PC) und Tetrahydrofuran (THF). Als Metallsalz kann man Zinkchlorid (ZnCl₂) nehmen.
Durch den Schritt S201 kann beispielsweise bereitgestellt werden: eine ein molare (1 M) Lösung von ZnCl₂ in Ethylmethylcarbonat (EMC), eine 0,167 M Lösung von ZnCl₂ in EMC, eine 1 M Lösung von ZnCl₂ in Tetrahydrofuran (THF), oder eine 0,167 M Lösung von ZnCl₂ in THF.
Es kann auch eine Präkursor-Lösung bereitgestellt werden, die ein organisches fluorhaltiges Carbonat, insbesondere Fluor-Ethylencarbonat (FEC), enthält. Die Präkursor-Lösung, ist so konfiguriert, dass sie das Ausbilden einer nativen Schicht auf einer Oberfläche der Lithium enthaltenden Elektrode/Anode hemmt, wenn diese mit der Präkursor-Lösung reagiert hat.
In einem Schritt S202 wird auf der Lithiummetallelektrode eine frische Oberfläche mit mechanischen Mitteln (mechanisch) erzeugt. Erfindungsgemäß erfolgt das mechanische Erzeugen der frischen Oberfläche auf der Lithiummetallelektrode direkt in der Präkursor-Lösung, um das Ausbilden einer nativen SEI durch chemische Reaktionen mit Luftmolekülen zu verhindern. Die frische Oberfläche kann durch einen oder eine Kombination von folgenden Prozessen durchgeführt werden: Schneiden, Polieren und Abspanen. Die 5 zeigt beispielhaft eine frische Oberfläche, die durch einen Scheideprozess mit Wolframdraht entstanden ist.
Beim Schneiden oder Abspanen mit einem Schneidwerkzeug kann eine auf der Oberfläche der Lithiummetallelektrode ausgebildete native SEI von der Oberfläche der Lithiummetallelektrode abgetrennt/abgeschabt werden. Beim Schneiden oder Abspanen mit einem Schneidwerkzeug kann auch eine Lithiummetallschicht/-span von der Lithiummetallelektrode abgetrennt werden; dabei bildet sich die frische Oberfläche an der Trennstelle zwischen abgeschaffter Lithiummetallschicht und Lithiummetallelektrode heraus.
Frische Oberflächen können beim Herstellen/Fertigen der Lithiummetallelektrode erzeugt werden, wenn diese durch Abtrennen von einem Lithium-Metallstück direkt in der Präkursor-Lösung hergestellt wird. Dadurch kann das Ausbilden einer nativen SEI auf der Oberfläche der neu hergestellten Lithiummetallelektrode verhindert werden. Das Abtrennen der Lithiummetallelektrode von dem Lithium-Metallstück kann durch Schneiden oder Abspanen erfolgen.
In einem Schritt S203 wird direkt in der Präkursorlösung die künstliche SEI auf der frischen Oberfläche der Lithiummetallelektrode ausgebildet. Während dem Ausbilden der SEI kann das Lithium auf der frischen Oberfläche der Elektrode das Metallsalz und das organische Lösungsmittel reduzieren. In einer Lösung von Zinkchlorid in einem organischen Lösungsmittel können folgende Reaktionen stattfinden: 2Li + ZnCl₂ →Zn + 2LiCl xLi + yZn → Li_xZn_y
Das Lithium der pristinen/reinen Lithiumoberfläche kann mit ZnCl₂ zu LiCI und elementaren Zink reagieren. Da das Lithiummetall im Überschuss vorhanden ist, kann das Lithium und das Zinkmetall eine Legierung (Li_xZn_y) bilden. Das Verhältnis von Lithium (x = 0.4 bis 2) zu Zink (y = 1 bis 5) kann stark variieren.
Die Lithium-Zink Legierung führt zu einem verringerten Potenzialgradienten auf der Oberfläche der Elektrode und erlaubt somit eine gleichmäßigere Abscheidung von Lithium während dem Ladevorgang.
Weiterhin kann das Lithium ebenso die Lösungsmittel der Präkursor-Lösung zu einer Vielzahl von Zersetzungsprodukten reduzieren. Diese Zersetzungsprodukte sind abhängig vom Lösungsmittel. Beispielweise enthält EMC die dreifache Menge Sauerstoff pro Molekül im Vergleich zu THF.
Die Morphologie der künstlichen SEI ist von dem Lösungsmittel und der Metallsalz Konzentration abhängig. In Falle einer ZnCl2-Lösung beeinflusst die Konzentration die Verteilung von Zink auf der Oberfläche während eine Veränderung im Lösungsmittel die Partikelgröße und Form beeinflusst. Dadurch kann eine künstliche SEI die mit Hilfe von EMC hergestellt wurde von anderen künstlichen SEIs unterschieden werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung der SEI auf der Oberfläche der Lithiummetallelektrode erfordert eine Konzentration des Metallsalzes von mindestens 0,1 M und sollte die Löslichkeit des Metallsalzes nicht überschreiten.
Aufgrund der hohen Reaktivität von Lithium setzt das Ausbilden der SEI sofort/unmittelbar nach dem Erzeugen der frischen Oberfläche ein und dauert nur wenige Sekunden. Daher sollte das mechanische Erzeugen der frischen Oberfläche bei der Temperatur durchgeführt werden, bei der die chemischen Reaktionen stattfinden, die zur Ausbildung der SEI führen. Diese Temperatur liegt im Bereich von 15°C bis 25°C.
In einem Schritt S204 erfolgt das Trocknen oder Trocknen lassen der Lithiummetallelektrode, dabei wird die auf der frischen Oberfläche ausgebildete SEI getrocknet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden zwei Lithiummetallelektroden mit jeweils einer künstlichen SEI hergestellt und in symmetrische Lithiumzellen verbaut. Mit zwei Lithiummetallelektroden, einem Separator und einem Elektrolyten wurden Testzellen gebildet. Als Separator agierte ein Whatman GF/A Glasmikrofaserfiler, der mit 120 µl LP 30 Elektrolyt benetzt wurde. Mit diesen Testzellen wurden elektrochemische Impedanzmessungen an einem Solartron SI 1287 (Solartron Analytical) ausgeführt. Dabei wurde während einem 8-tägigen Alterungstest die Impedanz zwischen den beiden Elektroden, die im Folgenden als Z' bezeichnet wird, für Frequenzen im Bereich von 200 kHz bis 0,01 Hz, alle 24 h gemessen. Nach dem Fertigstellen des Alterungstests wurden die Testzellen wiederholt Lade- und Entlade-Zyklen ausgesetzt. Nach jeweils 50 Lade-/Entlade-Zyklen (d.h. alle 100 Stunden) wurde ein elektrochemisches Impedanz-Spektrum (EIS) aufgenommen. Die Lade- und Entlade-Zyklen der Testzellen fanden bei einer Stromdichte von 0,1 mA/cm² galvanostatisch (Potentialobergrenze = 0,5 V) statt, und es wurde während der Zyklisierung die Überspannung (Überpotential) aufgenommen/gemessen.
Erste Ausführungsform
Erfindungsgemäß wurde auf zwei Lithiumelektroden eine künstliche SEI in einer ein molaren (1 M) Lösung von Zinkchlorid in EMC gebildet, und mit diesen eine, wie oben beschriebene, Testzelle gebildet. Die 6a und 6b zeigen jeweils eine SEM-Aufnahme eines Oberflächenausschnittes einer der beiden Lithiumelektroden. Dabei ist die Auflösung der in der 6b gezeigten Aufnahme etwa zehnmal größer als die der in 6a gezeigten. Die SEM-Aufnahme zeigt Zink enthaltende Partikel, die eine maximale Länge oder einen Durchmesser von ca. 0,25 µm aufweisen, nicht agglomerieren und den kompletten Oberflächenausschnitt bedecken.
6c zeigt das EDX-Spektrum von Zink in einem Oberflächenausschnitt einer der beiden EL-Lithiumzellen. Das EDX-spektrum zeigt, dass das Zink den Oberflächenausschnitt homogen bedeckt.
Weil die mit der künstlichen SEI beschichtete Oberfläche im Wesentlichen gleichmäßig und komplett mit Zink bedeckt ist, weist eine Lithiummetallelektrode gemäß der ersten Ausführungsform bessere elektrochemische Eigenschaften auf, als die in der 2a dargestellte Lithiummetallelektrode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. beschichtet wurde. Das zeigt der 8-Tage dauernde Alterungstest, der für die Testzelle durchgeführt wurde. Während dem Test wurde jeweils nach 24 Stunden ein elektrochemisches Impedanz-Spektrum (EIS) aufgenommen. Die 7 zeigt diese acht Spektren. Innerhalb von acht Tagen steigt der zwischen den beiden Lithiumelektroden gemessene Widerstand (der dem zweifachen Grenzflächenwiderstand der auf der Lithiumoberfläche ausgebildeten SEI entspricht) nur moderat, von ca. 3 Ohm/cm² auf ca. 8 Ohm/cm². Auch die Überspannung bleibt mit ca. ±0,010 mV über einen Zeitraum von 100 Zyklen stabil. Insgesamt ist der Grenzflächenwiderstand kleiner als die von Nazar et al. veröffentlichten Werte. Ebenso die Überspannung. Darüber hinaus zeigt die 7, dass alle acht Spektren nahe beieinanderliegen, was darauf hindeutet, dass sich die elektrochemischen Eigenschaften der Testzelle während der acht Tage nicht wesentlich geändert haben.
Die 8 zeigt elektrochemische Impedanzspektren von drei Testzellen gemäß der ersten Ausführungsform. Auf die zwei Elektroden einer jeden Testzelle wurden erfindungsgemäß jeweils eine künstliche SEI in einer Präkursor-Lösung von 1 M Zinkchlorid in EMC ausgebildet. Jedes Impedanz-Spektrum wurde 24 Stunden nach dem Herstellen der jeweiligen Testzelle aufgenommen. Die Figur zeigt, dass die Grenzflächenwiderstände der drei Testzellen reproduzierbar und niedriger sind, als die von Nazar et al. veröffentlichten.
Zweite Ausführungsform
Erfindungsgemäß wurde auf zwei Lithiumelektroden eine künstliche SEI in einer 0,167 molaren (0,167 M) Lösung von Zinkchlorid in THF gebildet, und mit diesen eine Testzelle gebildet. Die 9a zeigt eine SEM-Aufnahme eines Oberflächenausschnittes einer der beiden Lithiumelektroden und die 9b das EDX-Spektrum von Zink in einem Oberflächenausschnitt einer der beiden Lithiumelektroden. Die SEM-Aufnahme zeigt Zink enthaltende Partikel, die eine maximale Länge oder einen Durchmesser von ca. 0,5 µm aufweisen, nicht agglomerieren und fast den kompletten Oberflächenausschnitt bedecken. Auch bedeckt das Zink den Oberflächenausschnitt vergleichsweise homogen, wie im EDX-Spektrum gezeigt.
Auch eine Lithiummetallelektrode gemäß der zweiten Ausführungsform weist bessere elektrochemische Eigenschaften auf, als die Lithiummetallelektrode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. beschichtet wurde. Das zeigt der 8-Tage dauernde Alterungstest, der für die Testzelle durchgeführt wurde. Während dem Test wurde jeweils nach 24 Stunden ein elektrochemisches Impedanz-Spektrum (EIS) aufgenommen. Die 10 zeigt diese acht Spektren, und dass der Realteil von Z'' (der dem zweifachen Grenzflächenwiderstand der SEI entspricht) für alle Frequenzen von 0,01 Hz bis 200 kHz kleiner als 22 Ohm/cm² ist. Der Grenzflächenwiderstand der künstlichen SEI ist somit auch für diese Testzelle kleiner als die von Nazar et al. veröffentlichten Werte.
Gemäß der zweiten Ausführungsform hat sich die künstliche SEI in einer Präkursor-Lösung ausgebildet, die dieselbe Konzentration von Zinkchlorid in THF aufweist, wie die von Nazar et al. veröffentlichte. Daher sind die niedrigeren Werte für den Grenzflächenwiderstand, die mit dem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform erreicht wurden, auf das Schneiden der frischen Oberfläche direkt in der Präkursor-Lösung und nicht auf das verwendete organische Lösungsmittel zurückzuführen.
Dritte Ausführungsform
Erfindungsgemäß wurde auf zwei Lithiumelektroden eine künstliche SEI in einer ein molaren (1 M) Lösung von Zinkchlorid in THF gebildet, und mit diesen eine Testzelle gebildet. Die 11a zeigt eine SEM-Aufnahme eines Oberflächenausschnittes einer der beiden EL-Lithiumzellen und die 11b das EDX-Spektrum von Zink in einem Oberflächenausschnitt einer der beiden Lithiumelektroden. Die SEM-Aufnahme zeigt eine Oberfläche, die eine kristalline Struktur mit definierten Partikeln aufweist. Diese enthalten Zink. Die individuellen Partikel weisen eine maximale Länge oder einen Durchmesser von ca. 0,5 µm auf und sind somit größer als bei der ersten Ausführungsform. Das EDX-Spektrum zeigt, dass Zink homogen auf der Oberfläche verteilt ist. Auch eine Lithiummetallelektrode gemäß der dritten Ausführungsform weist bessere elektrochemische Eigenschaften auf, als die Lithiummetallelektrode, die nach dem Verfahren von Nazar et al. beschichtet wurde. Der Grenzflächenwiderstand der künstlichen SEI ist kleiner als 10 Ohm/cm² und somit ebenfalls kleiner als die von Nazar et al. veröffentlichten Werte.
Die 12 zeigt den Einfluss der Konzentration von ZnCl₂ in THF auf den Grenzflächenwiderstand nach einer Anzahl von 0, 50 und 100 Zyklisierungen. Eine erste Testzelle, in der Lithiummetall (pristines Lithium) ohne künstlich aufgebrachte SEI als Elektrode verwendet wurde, weist nach 0, 50 und 100 Zyklisierungen einen sehr hohen Grenzflächenwiderstand auf. Das zwei-fache des Grenzflächenwiderstandes ist höher als 350 Ohm/cm². Die dieser Testzelle entsprechenden Widerstände sind in der Figur mit Quadrate dargestellt.
Eine zweite Testzelle, in der Lithiummetall mit einer künstlich aufgebrachten SEI als Elektrode verwendet wurde, wobei die SEI nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Präkursor-Lösung von 0,1 M ZnCl₂ in THF ausgebildet wurde, weist nach 0, 50 und 100 Zyklisierungen viel kleinere Grenzflächenwiderstände auf. Die diesen Testzellen entsprechenden gemessenen Widerstände sind in der Figur mit Kreisen dargestellt. Eine dritte Testzelle, in der Lithiummetall mit einer künstlich aufgebrachten SEI als Elektrode verwendet wurde, wobei die SEI nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Präkursor-Lösung von 0,5 M ZnCl₂ in THF ausgebildet wurde, und die Testzelle nach der dritten Ausführungsform (1 M ZnCl2 in THF) weisen ebenfalls Grenzflächenwiderstände auf, die mit dem Grenzflächenwiderstand der zweiten Testzelle (0,1 M ZnCl₂ in THF) vergleichbar sind. Die diesen Testzellen entsprechenden gemessenen Widerstände sind mit Dreiecken (dritte Testzelle) bzw. mit Rauten dargestellt.
Schon eine geringe Konzentration von 0,1 M Zinkchlorid in THF reduziert die Grenzflächenwiderstände einer Lithiummetallelektrode signifikant. Die Behandlung einer Lithiummetallelektrode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Präkursor-Lösungen mit hoher ZnCl₂-Konzentration führt zu den niedrigsten Grenzflächenwiderständen.
Vierte Ausführungsform
Erfindungsgemäß wurde auf zwei Lithiumelektrodeneine künstliche SEI in einer 0,167 molaren (0,167 M) Lösung von Zinkchlorid in EMC gebildet, und mit diesen eine, wie oben beschriebene, Testzelle gebildet. Die 13a zeigt eine SEM-Aufnahme eines Oberflächenausschnittes einer der beiden Lithiumelektroden. Die SEM-Aufnahme zeigt deutlich zwei verschiedene Partikelstrukturen: i) große Partikel mit einem Durchmesser von ca. 1,5 µm, und ii) kleine Partikeln mit einem Durchmesser von ca. 0,2 µm. Die großen Partikel sind auf der Oberfläche inhomogen verteilt und enthalten unterschiedlich große Partikelansammlungen. Die 13b und 13c zeigen das EDX-Spektrum von Zink und das EDX-Spektrum von Chlor in einem Oberflächenausschnitt einer der beidenLithiumelektroden. Sie zeigen deutlich, dass die kleinen Partikel Zink enthalten, während die großen Partikel kein Zink dafür aber Chlor enthalten. Diese Verteilung deutet darauf hin, dass die Zinkkonzentration zu niedrig ist und somit nicht die komplette Lithiumoberfläche mit Zink reagieren kann und daher alternativ mit Chlor reagiert. Mit steigender Zinkkonzentration in der Präkursor-Lösung hingegen wird die Verteilung der kleinen Zink enthaltenden Partikel auf der Lithiumoberfläche homogener und die gesamte Oberfläche wird bedeckt. Daher ist eine höhere Zinkchlorkonzentration der von Nazar et al. vorgeschlagenen Konzentration von 0,167 M Zinkchlorid zu bevorzugen.
Die 14 zeigt elektrochemische Impedanzspektren von drei Testzellen gemäß der vierten Ausführungsform. Die zwei Elektroden einer jeden Testzelle wurden als symmetrische EL-Lithiumzellen ausgeführt, auf die erfindungsgemäß jeweils eine künstliche SEI in einer Präkursor-Lösung von 0,167 M Zinkchlorid in EMC ausgebildet wurde. Jedes Impedanz-Spektrum wurde 24 Stunden nach dem Herstellen der jeweiligen Testzelle aufgenommen. Die aus diesen Spektren sich ergebenden Grenzflächenwiderstände sind vergleichbar oder niedriger als die von Nazar et al. für den besten Präkursor (Li₁₃ln₁₃ in THF) angegebenen.
Fünfte Ausführungsform
Das Anion des Metallsalzes (bspw. Cl^-) spielt neben dem Metall selbst eine wichtige Rolle in der Präkursor-Lösung. Wie schon beschrieben, reduziert das Lithium das Metallsalz; im Falle von ZnCl2, zu elementaren Zink und Lithiumchlorid (LiCI). Das Letztere ist ein wichtiger Bestandteil der künstlichen SEI. Daher wird mit der fünften Ausführungsform der Einfluss des Anions selbst auf das Verhalten und Stabilität der künstlichen SEI untersucht.
Erfindungsgemäß wurde auf zwei Lithiumelektrodeneine künstliche SEI in einer Präkursor-Lösung ausgebildet, die Fluor-Ethylencarbonat (FEC) enthält, und mit diesen eine Testzelle gebildet. 15a zeigt zeitabhängige elektrochemische Impedanz-Spektren dieser Testzelle (die einer fünften Ausführungsform entspricht). Die Spektren wurden während eines Alterungstests von 8-Tagen aufgenommen. Die Figur zeigt, dass der zwei-fache Grenzflächenwiderstand nach acht Tagen Alterungstest von ca. 25 Ohm/cm² auf ca. 95 Ohm/cm² ansteigt und damit deutlich höher ist als die Grenzflächenwiderstände, die mit ZnCl₂ basierenden Präcursor-Lösungen erreicht wurden. Die Testzelle wurde bei einer Stromdichte von 0,1 mA/cm² galvanostatisch zyklisiert (Potentialobergrenze ist 0,5 V). Die dabei an der Testzelle aufgenommene Spannung ist in 15b dargestellt. Die Überspannungen sind mit ca. ±0,010 mV während der Zyklisierung vergleichbar niedrig und über 50 Zyklen stabil.
In den 16a und 16b sind die ersten zehn Zyklen des in der 15b dargestellten Überspannungsverlaufes gezeigt (Bezugszeichen 1061). Zum Vergleich sind in 16a auch die ersten zehn Zyklen der galvanostatischen Zyklisierung einer Testzelle gemäß der dritten Ausführungsform gezeigt (mit einer künstlichen SEI basierend auf 1M Lösung von ZnCl₂ in THF) (Bezugszeichen 1062). Die 16a zeigt, dass die Überspannung der Testzelle mit einer auf FEC basierten SEI ein symmetrisches Verhalten aufweist, was darauf hindeutet, dass sich ihre Oberfläche während der Zyklisierung nicht verändert. Die Überspannung der Testzelle mit einer SEI, die in 1 M Lösung von ZnCl₂ in THF ausgebildet ist, hingegen ist nicht symmetrisch, was auf eine instabilere SEI hindeutet.
In 16b sind zum Vergleich auch die ersten zehn Zyklen der galvanostatischen Zyklisierung einer Testzelle gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt (mit einer künstlichen SEI basierend auf einer 1 M Lösung von ZnCl₂ in EMC) (Bezugszeichen 1063). Die Figur zeigt, dass die Überspannung der Testzelle mit einer SEI, die in 1 M Lösung von ZnCl₂ in EMC ausgebildet ist, ebenfalls nicht symmetrisch ist.
Eine Fluorid-basierte künstliche SEI ist somit stabiler als eine Chlorid-basierte künstliche SEI, und das Anion spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung der künstlichen SEI.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden auf eine Lithiummetallelektrode (100% Lithium enthaltend) angewandt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung einer SEI ist aber nicht auf Lithiummetallelektroden beschränkt, sondern kann auch für Elektroden/Anoden angewendet werden, die neben Lithium auch Graphit enthalten (lithiierter Graphit). Es gibt auch noch andere Lithium-Verbindungen, auf die, wenn sie als Elektrodenmaterial eingesetzt werden, das erfindungsmäße Verfahren angewandt werden kann. Wenn Lithium in der Anode präsent ist, kann es das Metallsalz (bspw. ZnCl2) reduzieren und eine Legierung (Lithium-Zink) bilden. Die Reduktion der Grenzflächenwiderstände und Oberflächenstabilisation beruht auf dieser Legierung. Die Lithium-Zink Legierung stabilisiert die Lithiumoberfläche während der Zyklisierung. Durch einen Potentialgradienten in der Legierung wird der Li-Ionen Transport und die darauffolgende homogene Abscheidung auf der Lithiumoberfläche ermöglicht. Andere Metallsalze oder fluorierte Verbindungen (bspw. FEC) können auch nützliche künstliche SEIs formen, so lange sie die Lithiumoberfläche stabilisieren, einen hohe Li-Ionen Transport erlauben und eine homogene Abscheidung begünstigen.
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
Bezugszeichenliste

100: Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle
101: Erste Elektrode, Anode
102, 102': Zweite Elektrode, Kathode
103: Künstliche Feststoff-Elektrolyt-Interphase (oder künstliche SEI)
104: Lithium-Metall
105, 105': Separator
1601: Überspanungsverlauf (FEC)
1602: Überspanungsverlauf (1M ZnCl2 in THF)
1603: Überspanungsverlauf (1M ZnCl2 in EMC)

Claims

Verfahren zur Ausbildung einer künstlichen Feststoff-Elektrolyt-Interphase (103), SEI, auf einer Lithium enthaltenden Elektrode (104) einer Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle (101), aufweisend: Bereitstellen einer Präkursor-Lösung, die konfiguriert ist, das Ausbilden einer nativen Schicht auf einer Oberfläche (104) der Elektrode zu hemmen; mechanisches Erzeugen direkt in der Präkursor-Lösung einer frischen Oberfläche auf der Elektrode (104) unter Ausbildung der künstlichen SEI (103) auf der frischen Oberfläche der Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Präkursor-Lösung mittels Zugabe von wenigstens einem Metallsalz in ein organisches Lösungsmittel bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Konzentration des Metallsalzes in dem Präkursor größer oder gleich 0,1 M ist und die Löslichkeit des Metallsalzes in dem organischem Lösungsmittel nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Metallsatz ZnCl₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Präkursor-Lösung ein organisches fluorhaltiges Carbonat, insbesondere Fluor-Ethylencarbonat, FEC, enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen der frischen Oberfläche durch einen oder eine Kombination von folgenden Prozessen durchgeführt wird: Schneiden, Polieren und Abspanen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (104) zwei gegenüberliegende Seitenflächen und die frische Oberfläche zumindest eine Seitenfläche umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das organische Lösungsmittel zumindest eines der Folgenden enthält: Ethylmethylcarbonat (EMC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat/Propylencarbonat (EC/PC) und Tetrahydrofuran (THF).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (104) eine Lithiummetallelektrode ist.
Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Elektrode für eine Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle, wobei: die Elektrode (104) aus einem Elektrodenmaterial gefertigt ist, welches Lithium enthält; unmittelbar auf dem Elektrodenmaterial der Oberfläche der Elektrode (104) in zumindest einem Oberflächenabschnitt eine künstliche Feststoff-Elektrolyt-Interphase, SEI, ausgebildet ist, die SEI eine Vielzahl von ein Metall enthaltende Partikel aufweist, die insgesamt den zumindest einem Oberflächenabschnitt, auf dem die SEI ausgebildet ist, zumindest überwiegend bedecken; und die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge aufweisen, die 1 µm nicht überschreitet.
Elektrode nach Anspruch 11, wobei: die Partikel bei Draufsicht auf die SEI jeweils eine maximale Länge aufweisen, die 0,5 µm nicht überschreitet; oder die SEI einen Grenzflächenwiderstand aufweist, der nicht größer als 5 Ohm/cm² ist.
Elektrode nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Metall Zink ist und die SEI des Weiteren Chlor oder ein Chlorid enthält.
Elektrode nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Elektrodenmaterial Lithiummetall ist.
Lithium-Ionen- oder Lithium-Batteriezelle (100) mit einer Elektrode (101) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14.