DE102019206131A1 - Elektrode und Batteriezelle aufweisend eine Elektrode - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrode (22) für eine Batteriezelle (10), insbesondere für eine Festkörperbatterie, wobei die Elektrode (22) eine Elektrodenschicht (24) mit wenigstens einem Aktivmaterial und einem Binder aufweist, wobei das Aktivmaterial in dem Binder verteilt vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5S/cm2, bevorzugt 10-3S/cm, liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode, insbesondere zum Einsatz in einer Batteriezelle für einen Festkörperakkumulator. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Festkörperakkumulator, der eine derartige Elektrode aufweist.
  • Festkörper-Akkumulatoren, die üblicherweise als Festkörper-Batterien bezeichnet werden, sind sowohl für mobile wie auch für stationäre Anwendungen von großem Interesse. Bei der Herstellung von Fahrzeugen werden Lithium-Ionen oder Lithium-Metall basierte Festkörperbatterien als Ersatz für Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit Flüssigelektrolyten verwendet.
  • Grundsätzlich können Festkörper-Batterien auf Basis von drei verschiedenen Festelektrolyten hergestellt werden, nämlich oxidischen Keramiken oder Gläsern, sulfidischen Keramiken oder Gläsern oder Polymeren. Hierzu gibt es unterschiedlichste Fertigungstechniken, um eine gute Ionenleitung von einem Material zu dem nächsten Material zu ermöglichen.
  • Für die Herstellung einer Festkörper-Batterie werden beispielsweise eine Anode, wie etwa eine Lithiumanode oder eine Kompositanode, eine Kompositkathode und ein keramischer ionenleitender Festkörperelektrolyt, der in diesem Fall auch als Separator dient, verwendet. Die Komposit-Kathode enthält ein Aktivmaterial, ein elektrisches Leitadditiv wie Leitruß und ebenfalls einen beispielsweise keramischen Festkörperelektrolyten. Dieser kann dem keramischen Material des Separators entsprechen, um eine möglichst gute Ionenleitung zu erzielen.
  • US 2017/0018781 A1 beschreibt ein festes, ionisch leitendes Polymermaterial mit einer Mehrzahl an Monomeren und einer Mehrzahl an Charge-Transfer Komplexen. Dabei sollen die Charge-Transfer Komplexe durch eine Reaktion von einem Polymer mit einem Monomer ausgebildet werden. Ein derartiges Polymermaterial soll ferner eine nur begrenzte elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
  • Shizuo Tokito, Tetsuo Tetsui and Shogo Saito, Electrical Conductivity and Optical Properties of Poly(p-phenylene sulfide) Doped with Some Organic Acceptors, Polymer Journal, Vol. 17, No. 8, pp959-986 (1985) beschäftigt sich ferner mit den optischen und elektrischen Eigenschaften von Poly(p-Phenylensulfid)in Zusammenwirken mit verschiedenen Elektronendonoren unter Ausbildung von Charge-Transfer Komplexen.
  • Der Stand der Technik erlaubt jedoch noch weiteres Verbesserungspotential, insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung von Batterien.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit guter Leistungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch eine Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
  • Beschrieben wird eine Elektrode für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Festkörperbatterie, wobei die Elektrode eine Elektrodenschicht mit wenigstens einem Aktivmaterial und einem Binder aufweist, wobei das Aktivmaterial in dem Binder verteilt vorliegt, wobei der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, liegt.
  • Dabei sei darauf verwiesen, dass die elektronische Leitfähigkeit beispielsweise durch Polarisationsmessung bei Raumtemperatur (25°C) ermittelbar ist.
  • Eine derartige Elektrode kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile bieten.
  • Beschrieben wird somit eine Elektrode. Diese dient dem Einsatz in einer Batteriezelle, insbesondere in einer Festkörperbatterie. Dabei kann die Elektrode beispielsweise eine Kathode, insbesondere eine Komposit-Kathode, der Batteriezelle sein. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine derartige Elektrode eine Anode, insbesondere eine Komposit-Anode, der Batteriezelle ist.
  • Durch eine mögliche Ausgestaltung der Elektrode ohne Lösungsmittel kann die Batteriezelle, welche mit wenigstens einer derartigen Elektrode ausgestattet ist, als Trocken-Batteriezelle ausgestaltet sein beziehungsweise eine Trockenbatterie ausbilden.
  • Vorteile einer Trockenzelle beziehungsweise Trockenbatterie umfassen beispielsweise durch das Vorsehen eines FestkörperElektrolyten, dass beispielsweise keine typischen Alterungserscheinungen von Flüssigelektrolyten wie Dendritenbildung durch Ablagerung von Material an den Elektroden auftreten. Dadurch kann eine gute Langzeitstabilität einhergehen mit einer hohen Stabilität. Darüber hinaus können die Nachteile etwa hinsichtlich einer Umfeldgefährdunng vermieden werden, die etwa durch ein Auslaufen einer klassischen Nassbatterie entstehen, und die Umwelt wie auch umstehende Personen gefährden können.
  • Bei einer hier beschriebenen Elektrode ist es vorgesehen, dass diese eine Elektrodenschicht aufweist. Die Elektrodenschicht kann etwa hinsichtlich der Lade- und Entladevorgänge aktive Schicht sein und beispielsweise zwischen einem Separator und einem Stromableiter und unmittelbar benachbart zu diesen angeordnet sein.
  • Der Stromableiter kann grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt gewählt werden. Bei einer Kathode kann beispielsweise eine Aluminiumfolie verwendet werden, wohingegen bei einer Anode etwa eine Kupferfolie Verwendung finden kann. Die Dicke und das Material können jedoch grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgebildet werden und je nach den Anforderungen ausgebildet sein.
  • Die Elektrodenschicht umfasst wenigstens ein Aktivmaterial und einen Binder, wobei das Aktivmaterial in dem Binder verteilt vorliegt. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt, dass das Aktivmaterial in dem Binder ferner gut verteilt und homogen vorliegen kann. Dadurch kann es möglich sein, dass die Elektrodenschicht hinsichtlich der Lade- und Entladebedingungen homogene Eigenschaften aufweist, was einer guten Leistungsfähigkeit einer mit einer derartigen Elektrode ausgestatteten Batteriezelle zuträglich ist.
  • Das Aktivmaterial kann grundsätzlich ausgestaltet sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei kann das Aktivmaterial insbesondere in Abhängigkeit gewählt werden, ob die Elektrode eine Anode oder eine Kathode ist, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist.
  • Bezüglich des Binders ist es vorgesehen, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, liegt.
  • Unter einem Charge-Transfer-Komplex kann grundsätzlich ein Elektronendonor-Elektronenakzeptor-Komplex verstanden werden, der durch Absorption von Licht in einen ladungsseparierten Zustand wechseln kann. Durch strahlende und strahlungslose Übergänge kehrt der Charge-Transfer-Komplex anschließend wieder in den Grundzustand zurück. Charge-Transfer-Komplexe können rein organische Komplexe oder Übergangsmetallkomplexe sein ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Anordnung der Elektronendonoren beziehungsweise Elektronenakzeptoren ist grundsätzlich frei wählbar. Jedoch kann es von Vorteil sein, dass die Elektronendonoren und/oder Elektronenakzeptoren in einer polymeren Struktur angeordnet sind, wobei, wenn sowohl Akzeptor und Donor in einer polymeren Struktur angeordnet sind, die polymere Struktur insbesondere die selbe sein kann, also eine gemeinsame polymere Struktur insbesondere als Copolymer für Donor und Akzeptor vorliegt. Denn durch die polymere Struktur kann der Binder vorteilhaft seine eigentliche Aufgabe wahrnehmen, wie insbesondere das Aufnehmen und immobilisieren des Aktivmaterials und gegebenenfalls weiterer Komponenten, wie etwa eines Ionenleiters und/oder gegebenenfalls eines geringen Anteils an Leitzusatz.
  • Somit ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Binder auf einer polymeren Struktur basiert, in welcher Elektronenakzeptoren und/oder Elektronendonoren für einen Charge-Transfer-Komplex angeordnet sind. Beispielsweise können derartige funktionelle Einheiten in oder an einer Polymerkette physikalisch oder chemisch gebunden angeordnet sein, wie dies nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist.
  • Ein derartiger Binder kann insbesondere als bifunktioneller Polymerelektrolyt angesehen werden, der sowohl eine ionische, wie auch eine elektronische Leitfähigkeit bereitstellen kann. Die Stärke der ionischen Leitfähigkeit wie auch der elektronischen Leitfähigkeit kann je nach gewünschter Anwendung anpassbar sein durch die Menge an Binder in der Elektrodenschicht, durch das molare Verhältnis von Donor zu Akzeptor und etwa durch die Zugabe weiterer Hilfsstoffe, welche etwa die ionische Leitfähigkeit beziehungsweise die elektronische Leitfähigkeit verbessern können. Insbesondere kann die elektronische Leitfähigkeit durch Erhöhung des Anteils an Binder und gegebenenfalls Leitzusatz (elektronisch leitend) für den Fachmann in problemloser Weise erreicht werden.
  • Grundsätzlich jedoch ist die exakte Ausgestaltung der Elektronendonoren beziehungsweise der Elektronenakzeptoren frei wählbar.
  • Es ist ferner vorgesehen, dass der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, liegt.
  • Insbesondere eine derartige Ausgestaltung eines Binders wie vorstehend beschrieben kann gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen.
  • Denn dadurch, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, liegt, kann auf das Vorsehen eines Leitzusatzes verzichtet werden oder kann der Anteil des Leitzusatzes signifikant gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik reduziert werden.
  • Durch das Vorsehen eines Charge-Transfer-Komplexes beziehungsweise insbesondere einer geeigneten Menge an Donormolekülen und Akzeptormolekülen zur Ausbildung von Charge-Transfer-Komplexen kann die elektronische Leitfähigkeit des Binders und damit der Elektrolytschicht signifikant erhöht werden. Dadurch wird es möglich, dass die elektronische Leitfähigkeit in einem Bereich liegt, der bei 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, liegt.
  • Dabei sei erwähnt, dass die obere Grenze der elektronischen Leitfähigkeit technisch bedingt sein kann, also bedingt durch die in der vorliegenden Zusammensetzung erreichbaren Leitfähigkeiten.
  • Durch das Erreichen einer derartigen elektronischen Leitfähigkeit kann es ferner erreicht werden, dass die elektronische Leitfähigkeit ausreichend groß ist, um eine gute Anbindung der Elektrodenschicht an den Stromableiter zu realisieren. Dies gilt auch ohne oder mit nur begrenzter Zugabe an Leitzusatz. Dabei sei darauf hingewiesen, dass unter einem Leitzusatz insbesondere ein die elektronische Leitfähigkeit verbessernder Zusatz zu verstehen ist.
  • Somit kann es verhindert werden, dass durch eine Verwendung von vergleichsweise hohen Anteilen an Leitzusätzen beziehungsweise Leitadditiven die gravimetrische und die volumetrische Energiedichte herabgesetzt wird. Somit kann es in anderen Worten erlaubt werden, dass durch die Verwendung einer Elektrode wie hier beschrieben die volumetrische und gravimetrische Energiedichte im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik deutlich erhöht wird. Dies ist insbesondere für mobile Lösungen, wie etwa für Akkumulatoren für Kraftfahrzeuge, von großer Bedeutung, so dass die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit beispielsweise in mobilen Anwendungen verbessert wird.
  • Darüber hinaus bietet sich der weitere Vorteil, dass durch die Zugabe eines Festkörperelektrolyts, beispielsweise auf einfache Weise auch im Sinne einer Trockenzelle, nicht nur eine hohe elektronische Leitfähigkeit sondern auch eine hohe ionische Leitfähigkeit erzeugt wird. Dadurch wird es möglich, dass kurzschlussfrei eine gute Anbindung an den Separator und dadurch an die Gegenelektrode erfolgt.
  • Zum Erreichen einer guten ionischen Leitfähigkeit kann es ferner vorteilhaft sein, dass die Elektrodenschicht zusätzlich zu dem Binder und dem Aktivmaterial ferner einen Ionenleiter aufweist, etwa einen Festkörperelektrolyten. Beispielhaft seien hier keramische Festkörperelektrolyts genannt.
  • Keramische Festkörperelektrolyte sind etwa gegenüber Polymerelektrolyten vorteilhaft, da die Polymere zum Teil nicht stabil sind gegenüber hohen Spannungen, die (Hochvolt-)Materialien, die zum Erreichen hoher volumetrischer Energiedichten auf der Kathodenseite eingesetzt werden, erzeugen. Aufgrund dieser Instabilitäten gegenüber Lithium bzw. dem Kathodenmaterial kann es bei Polymerelektrolyten oftmals nicht ganz ausgeschlossen werden, dass derartige Batteriezellen eine geringe Lebensdauer zeigen. Dies kann durch Verwendung eines keramischen Elektrolyten doch gerade verhindert werden.
  • Das Festkörperelektrolytmaterial ist insbesondere ein Lithiumionen-leitendes Festkörperelektrolytmaterial und kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend LiPON, Lithiumhaltige keramische und glaskeramische Ionenleiter, die insbesondere eine LiSICon oder LiSICon-artige, Thio-LiSICon oder Thio-LiSICon artige, NaSICon oder NaSICon-artige, Thio-NaSICon oder Thio-NaSICon-artige, granatartige, Perowskit- oder Anti-Perovkit-, oder Argyrodit-Kristallphase aufweisen, Lithium enthaltende Nitride, Hydride oder Halogenide und/oder Lithiumhaltige glasige Ionenleiter. Bevorzugt sind Lithiumphosphoroxynitrid (LiPON) und eine Klasse von glaskeramischen Materialien, die allgemein als LiSICon (ein Akronym für Lithium Super-Ionic Conductor) Strukturtyp-Materialien bezeichnet werden, und NaSICon (ein Akronym für Natrium Super-Ionic Conductor) strukturartige Materialien. LiPON ist ein häufig verwendeter Feststoffelektrolyt. Die Abkürzung LiPON steht für „Lithium Phosphor Oxynitrid“ und wird als Synonym für Materialien der Zusammensetzung LixPOyNz verwendet.
  • Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen NaSICon- oder NaSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li1,3Al0,3Ti1,7 (PO4)3, LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3 und LiZr(PO4)3. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen LiSICon oder LiSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li10GeP2S12, Li3PS4, Li3Si0,4P0,6S4 und Sn-dotiertes Li3PS4. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Granat-Kristallphase sind ausgewählt aus Li6,75La3Zr2Ta0,25012 und Li7La3Zr2O12. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Perowskit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li0,34La0,51TiO2,94, LiSr2Ti2NbO9 und Li0,06La0,66Ti0,93Al0,03O3. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Anti-Perowskit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li3OCl und Li3OCl0,5Br0,5. Bevorzugte Lithium-Argyrodit sind ausgewählt aus Li6PS5Br, Li6PS5Cl, Li7PS6 und Li6PO5Cl. Bevorzugte Lithium enthaltende Nitride sind ausgewählt aus LiPON, Li3N, Li7PN4 und LiSi2N3) . Bevorzugte Lithium enthaltende Hydride sind ausgewählt aus Li2NH, LiBH4, LiAlH4 und Li3(NH2)2I. Bevorzugte Lithium enthaltende Halogenide sind ausgewählt aus Li2CdCl4, Li2MgCl4 und Li2ZnI4.
  • Es ist auch möglich, Lithium enthaltende glasige Elektrolyte wie Lithiumsilikate, Lithiumborate, Lithiumaluminate, Lithiumphosphate, Lithium-Phosphor-Oxinitride, Lithium-Siliziumsulfide, Lithium-Germaniumsulfide, Lithium-Lantanoxide, Lithium-Titanoxide, Lithium-Borsulfide, Lithium-Aluminiumsulfide und Lithium-Phosphorsulfide sowie Kombinationen davon zu verwenden. Glasige Ionenleiter weisen amorphe Strukturen im Festkörperelektrolytmaterial auf, die einen Ladungstransport erlauben.
  • Bezüglich derartiger Festkörperelektrolyte kann es ferner vorteilhaft sein, dass durch das Vorsehen der Charge-Transfer-Komplexe weitere vorteilhafte Einflüsse möglich werden. Zwar bieten keramische Festkörperelektrolyte die vorbeschriebenen Vorteile, was sie für den Einsatz in Akkumulatoren beziehungsweise Festkörperbatterien sehr interessant machen, jedoch weisen Festkörperbatterien auf Basis von keramischen Festkörperelektrolyten oftmals Verbesserungspotential hinsichtlich der Zyklisierbarkeit auf. Dies etwa deshalb, weil zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Kathoden-Aktivmaterial ein hoher Grenzflächenwiderstand vorliegen kann. Die Ionen, wie etwa Lithiumionen, können dadurch nicht ungehindert zwischen den Partikeln wandern, was die Zyklisierbarkeit beziehungsweise Lade- und Entladevorgänge negativ beeinflussen kann.
  • Es konnte nun in überraschender Weise gefunden werden, dass dadurch, dass in der Elektrodenschicht, die einen keramischen Festkörperelektrolyten aufweist, ferner ein Binder mit einem Elektronendonor und einem Elektronenakzeptor zur Ausbildung eines Charge-Transfer-Komplexes vorgesehen ist, der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Kathoden-Aktivmaterial deutlich reduziert werden kann.
  • Eine vorbeschriebene Elektrodenschicht erlaubt somit neben einer hohen Energiedichte das Reduzieren von Übergangswiderständen zwischen Elektrolytpartikeln beziehungsweise zwischen Elektrolytpartikeln und Aktivmaterial. Somit kann ohne aufwändige Herstellungsschritte effektiv die Leistungsfähigkeit einer Trockenbatterie mit einem keramischen Festkörperelektrolyten verbessert werden.
  • Dabei können die vorbeschriebenen Vorteile insbesondere erreicht werden mit einer signifikanten Reduzierung der Materialkosten wie auch der Prozesskosten im Vergleich zu ähnlichen wirksamen Batteriezellen. Eine Erhöhung des Bauteilgewichts ist ferner nicht zu erwarten, was insbesondere für mobile Anwendungen von großem Vorteil ist.
  • Die Anteile von Aktivmaterial und grundsätzlich möglichem Leitzusatz und gegebenenfalls vorliegendem Festkörperelektrolyt im Verhältnis zueinander und im Verhältnis zu dem Binder und damit die Anteile sämtlicher Bestandteile zueinander können wiederum in für den Fachmann verständlicher Weise in geeigneter Weise angepasst werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Elektrodenschicht die folgende Zusammensetzung aufweist, bezogen auf die Elektrodenschicht:
    • - Binder in einem Anteil von ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 30 Gew.-%; insbesondere umfassend ein äquimolares Verhältnis von Akzeptor und Donor;
    • - Leitzusatz (elektrisch leitend) in einem Anteil von ≥ 0 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-%, insbesondere Leitruß;
    • - Festkörperelektrolyt in einem Anteil von ≥ 0 Gew.-% bis ≤ 30 Gew.-%, insbesondere keramischer Festkörperelektrolyt;
    • - Aktivmaterial in einem Anteil von ≥ 40 Gew.-% bis ≤ 99,8 Gew.-%;
    wobei sich die vorbeschriebenen Bestandteile zu 100 Gew.-% addieren können.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Elektronenakzeptor und der Elektronendonor in einer Menge vorliegen, bezogen auf den Binder, in dem folgenden Bereich. Der Elektronenakzeptor kann in einem Bereich vorliegen von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-% und der Elektronendonor kann in einem Bereich vorliegen von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%. Somit kann der Binder beispielsweise nur aus dem Elektronendonor und dem Elektronenakzeptor und dabei etwa umfassend eine oder mehrere polymere Strukturen bestehen. Grundsätzlich können Donor und Akzeptor bevorzugt in einem äquimolaren Verhältnis vorliegen. Alternativ können weitere Zusätze, wie etwa die vorbeschriebenen ionisch leitenden Salze, ebenfalls vom Binder umfasst sein.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Binder ferner ein ionenleitendes Salz, insbesondere ionenleitendes Lithiumsalz, aufweist, wobei das ionenleitende Salz, insbesondere das ionenleitende Lithiumsalz, nicht keramisch ist und ferner kein Aktivmaterial etwa für eine Lithiumbatterie ist. Ferner liegt das ionenleitende Salz bevorzugt in dem Binder verteilt vor.
  • Beispiele für derartige ionenleitende Lithiumsalze als Beispiele für ionenleitende Salze umfassen insbesondere die folgenden Salze.
  • Das auch im Unterschied zu einem Leitzusatz als Leitsalz zu bezeichnende ionenleitende Salz kann ein Lithiumsalz eines Anions ausgewählt aus Boraten, Phosphaten, Imiden, Aluminaten oder heterocyclischen Anionen sein. Die genannten sind dabei vorzugsweise fluoriert oder teilfluoriert oder weisen andere elektronenziehende Gruppen auf, wie etwa -CN. Das Lithiumsalz ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithiumchlorat (LiC104), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO3CF3), Lithiumbis(trifluor-methylsulphonyl)imid (LiN(SO2CF3)2, LiTFSI), Lithiumbis(penta-fluorethylsulphonyl) imid (LiN(SO2C2F5)2), Lithiumbis(o-xalato)borat (LiBOB, LiB(C2O4)2), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithium-tris(pentafluorethyl)trifluorophosphat (LiPF3(C2F5)3) und Kombinationen davon. Bevorzugt sind LiClO4, LiBF4, LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3 und LiN(SO2CF3)2.
  • Durch das Vorsehen derartiger ionenleitender Salze in dem Binder kann beispielsweise der Übergangswiderstand weiter reduziert und die Leistungsfähigkeit der Batterie weiter verbessert werden.
  • Beispielhaft kann das ionenleitende Salz in einer Menge von ≥ 0 mol/l bis ≤ 5 mol/l bezogen auf den Binder vorliegen und damit in der oben genannten beispielhaften Zusammensetzung dem Binder zuzuordnen sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Elektrodenschicht frei von einem Leitzusatz ist oder einen Leitzusatz in einer Menge aufweist, die in einem Bereich liegt von ≥ 0 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-%. Insbesondere in dieser Ausgestaltung wird ersichtlich, dass die gravimetrische und volumetrische Energiedichte durch einen Verzicht auf einen Leitzusatz oder zumindest auf eine im Vergleich zum Stand der Technik signifikante Reduzierung des Leitzusatzes deutlich erhöht werden kann.
  • Für den Fall, dass ein Leitzusatz vorgesehen ist, kann dieser grundsätzlich wählbar sein und etwa bevorzugt Ruß umfassen. Grundsätzlich kann der Leitzusatz ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Graphit; Rußen wie Ruß, Acetylenruß, Ketjen-Ruß, Kanalruß, Ofenruß, Lampenruß und thermischer Ruß; leitfähigen Fasern, wie Kohlenstofffasern und metallischen Fasern; Metallpulvern wie Aluminiumpulver und Nickelpulver; leitfähigen Whiskern wie Zinkoxid und Kaliumtitanat; leitfähigen Metalloxiden wie Titanoxid; und Polyphenylenderivaten, Kohlenstoffnanodrähten oder Kohlenstoffnanoröhren. Vorzugsweise ist der Leitzusatz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanodrähte.
  • Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann es ermöglicht werden, dass die Elektrodenschicht beziehungsweise der Binder eine elektronische Leitfähigkeit in einem Bereich von größer oder gleich 10-5 S/cm, bevorzugt in einem Bereich von größer oder gleich 10-3 S/cm, aufweist, wobei die elektronische Leitfähigkeit bedingt sein kann durch die ausgebildeten Charge-Transfer-Komplexe und hierzu nicht zwingend ein Leitzusatz oder eine große Menge an Leitzusatz notwendig ist.
  • Es kann bevorzugt sein, dass der Elektronendonor als Polymerstruktur vorliegt. Das kann insbesondere bedeuten, dass der Elektronendonor beispielsweise als Funktionalisierungssubstituent als Monomer dient und so ein Polymer aufbaut. In anderen Worten kann das Polymer aus Monomereinheiten aufgebaut sein, die als Elektronendonor dienen beziehungsweise die einen Elektronendonor aufweisen.
  • Beispiele für entsprechende Polymerstrukturen umfassen beispielsweise Polyacetylene, Polyphenylen-vinylene, Polyaniline, Polyphenyl-sulfide, Polypyrrole, Polythiophene, Polyfluorene, Polycabalzole, gegebenenfalls sulfonierte Polyimide und Naphthalenediimide und Copolymere umfassend wenigstens eines der vorgenannten Polymere.
  • Somit kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass eine Vielzahl an Elektronendonoren beziehungsweise Elektronendonormolekülen in einer Polymerkette angeordnet beziehungsweise eingebaut sind. Dies kann es insbesondere ermöglichen, dass der Elektronendonor in der Polymerstruktur lokalisiert und immobilisiert ist, was die Wirksamkeit des Charge-Transfer-Komplexes verbessern kann. Denn ein Wechselwirken von Elektronendonor und Elektronenakzeptor kann so verbessert werden, da durch die Immobilisierung ein lokales Anordnen des Elektronenakzeptors an dem Elektronendonor verbessert werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es aus den gleichen Gründen vorteilhaft sein, dass der Elektronenakzeptor als Polymerstruktur vorliegt. Dabei gelten die obigen Ausführungen entsprechend.
  • Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der Elektronenakzeptor und der Elektronendonor als Polymerstruktur vorliegen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Elektronenakzeptor und der Elektronendonor die selbe Polymerstruktur ausbilden. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass eine Polymerstruktur vorliegt, die gegebenenfalls ausschließlich aus Monomeren aufweisend den Donor beziehungsweise aufweisend den Akzeptor ausgebildet ist, also derart, dass der Elektronendonor und der Elektronenakzeptor ein gemeinsames Copolymer ausbilden. Dies kann es insbesondere ermöglichen, dass der Elektronendonor und der Elektronenakzeptor in derselben Polymerstruktur lokalisiert und immobilisiert sind, was die Wirksamkeit des Charge-Transfer-Komplexes verbessern kann. Denn ein Wechselwirken von Elektronendonor und Elektronenakzeptor kann so verbessert werden, wenn sich die Polymerkette beispielsweise durch Faltung oder durch gezielte Vernetzung derart im Raum ausrichtet, dass die Elektronendonoren mit den Elektronenakzeptoren wechselwirken. Dabei kann etwa eine Polymerstruktur mit abwechselnden Donoreinheiten und Akzeptoreinheiten vorliegen.
  • Es kann alternativ bevorzugt sein, dass wenigstens einer, beispielsweise genau einer, von dem Elektronenakzeptor und dem Elektronendonor, also den Elektronenakzeptorgruppen und den Elektronendorgruppen, keine Polymerstruktur ausbildet, sondern etwa als Einzelmolekül ohne Widerholungseinheiten ausgestaltet sein. Dies kann eine besonders einfache Herstellbarkeit ermöglichen, da die Elektronenakzeptoren im Wesentlichen unverändert in das Bindersystem eingebracht werden können.
  • Es sei jedoch erwähnt, dass diese Ausgestaltung umfasst, dass der Elektronenakzeptor beispielsweise mit einem Elektronendonor oder einem anderen Molekül einer Polymerstruktur durch physikalische Wechselwirkungen rein physikalisch an die Polymerstruktur gebunden ist.
  • Es kann bevorzugt sein, dass der Elektronendonor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
    • - Naphthalin gemäß Formel (1)
      Figure DE102019206131A1_0001
    • - Anthracen gemäß Formel (2)
      Figure DE102019206131A1_0002
    • - Phenacin gemäß Formel (3)
      Figure DE102019206131A1_0003
    • - Tetracen gemäß Formel (4)
      Figure DE102019206131A1_0004
    • - Perylen gemäß Formel (5)
      Figure DE102019206131A1_0005
    • - Coronen gemäß Formel (6)
      Figure DE102019206131A1_0006
    • - Chrysen gemäß Formel (7)
      Figure DE102019206131A1_0007
    • - Pyren gemäß Formel (8)
      Figure DE102019206131A1_0008
    • - Tetrathiafulvalen (TTF)gemäß Formel (9)
      Figure DE102019206131A1_0009
    • - Dimethyltetrathiafulvalen (DMTTF)gemäß Formel (10)
      Figure DE102019206131A1_0010
    • - Dibenzotetrathiafulvalen gemäß Formel (11)
      Figure DE102019206131A1_0011
    • - Trans-Stilben gemäß Formel (12)
      Figure DE102019206131A1_0012
    • - Polybenzobisoxazole gemäß Formel (13)
      Figure DE102019206131A1_0013
      wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NH (Polyimidazol), O (Polyoxazol) und S (Polythiazol), und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polyethin gemäß Formel (14)
      Figure DE102019206131A1_0014
      wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polyphenylenvinyliden gemäß Formel (15)
      Figure DE102019206131A1_0015
      wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polyanilin der Formel (16)
      Figure DE102019206131A1_0016
      wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polyphenylensulfid der Formel (17)
      Figure DE102019206131A1_0017
      wobei C = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polypyrrol gemäß Formel (18)
      Figure DE102019206131A1_0018
      wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polythiophen gemäß Formel (19)
      Figure DE102019206131A1_0019
      wobei X = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polyfluoren gemäß Formel (20)
      Figure DE102019206131A1_0020
      wobei R = gleich oder verschieden sind und H oder Alkylreste von C2H5 bis C12H26 ist, wobei die Alkylreste verzweigt oder unverzweigt sein können, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
    • - Polycarbazol gemäß Formel (21)
      Figure DE102019206131A1_0021
      wobei R = H oder Alkylreste von C2H5 bis C12H26 ist, wobei die Alkylreste verzweigt oder unverzweigt sein können, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; und
    • - sulfoniertem Polyimid (SPI)gemäß Formel (22)
      Figure DE102019206131A1_0022
      wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Elektronenakzeptor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
    • - 77,88-tetracyanoquinodimethan (TCNQ) gemäß Formel (23)
      Figure DE102019206131A1_0023
      wobei R1 bis R4 H sind(TCNQ); oder R1 bis R4 F sind (Fluoro TCNQ);
    • - Tetracyanoethylen (TCNE) gemäß Formel (24)
      Figure DE102019206131A1_0024
    • - Benzoquinon gemäß Formel (25)
      Figure DE102019206131A1_0025
      wobei R = H;
    • - Fluoranil gemäß Formel (26)
      Figure DE102019206131A1_0026
      wobei R = F;
    • - Chloranil gemäß Formel (27)
      Figure DE102019206131A1_0027
      wobei R = Cl;
    • - Fullerene gemäß Formel 28
      Figure DE102019206131A1_0028
    • - Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA)gemäß Formel (29)
      Figure DE102019206131A1_0029
    • - Gegebenenfalls substituiertes 1,4 Benzochinon gemäß Formel (30)
      Figure DE102019206131A1_0030
      wobei X1 bis X4 = Br, oder wobei X1 bis X4 = I, oder wobei X1 und X3 = Br und wobei X2 und X4 = I, oder wobei X1 und X4 = Br und wobei X2 und X3 = Cl;
    • - Tetracyanopyrazin (TCNP) gemäß Formel (31)
      Figure DE102019206131A1_0031
    • - Tetramethyltetrathiafulvalene (TNAP)gemäß Formel (32)
      Figure DE102019206131A1_0032
    • - 1,2,4,5-Tetracyanobenzene (TCNB) gemäß Formel (33)
      Figure DE102019206131A1_0033
    • - Hexacyanobutadien (HCNBu) gemäß Formel (34)
      Figure DE102019206131A1_0034
    • - N, N'-dicyanoquinodiimin (DCNQI)gemäß Formel (35)
      Figure DE102019206131A1_0035
    • - Dihydroxynaphtalen(DNH)gemäß Formel (36)
      Figure DE102019206131A1_0036
  • Dabei kann die Molekülstruktur als freie Molekülstruktur vorliegen, also etwa nicht in beziehungsweise an ein Polymer gebunden. Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Molekülstruktur in beziehungsweise an ein Polymer gebunden ist.
  • Für den Fall, dass die Elektronendonormoleküle und die Elektronenakzeptormoleküle in einer gemeinsamen Polymerstruktur vorliegen, kann eine Copolymerstruktur vorgesehen sein, die wie folgt ausgestaltet sein kann.
  • Im Detail kann eine derartige Copolymerstruktur nach Formel (37) vorliegen
    Figure DE102019206131A1_0037
  • Dabei sind die Akzeptormoleküle durch ein „acceptor“ gekennzeichnet und sind die Donormoleküle durch ein „donor“ gekennzeichnet.
  • In dieser Ausgestaltung kann Beispielsweise eine Mehrzahl an Polymersträngen oder der selbe Polymerstrang gemäß einer Struktur der Formel (38) aneinander liegen, so dass die Donormoleküle mit den Akzeptormolekülen wechselwirken können
    Figure DE102019206131A1_0038
  • Insbesondere kann es bei Struktur (38) vorgesehen sein, dass durch die Carbonylgruppe der Akzeptoreinheit mit dem Stickstoff der Donoreinheit unter Ausbildung eines Charge-Transfer-Komplexes wechselwirken.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Aktivmaterial ein Kathoden-Aktivmaterial umfasst, beispielsweise daraus besteht. Es hat sich gezeigt, dass die vorstehenden Vorteile insbesondere bei einer Kathode besonders effektiv umsetzbar sind. Denn im Gegensatz zu Kathoden können Anoden beispielsweise aus metallischem Lithium ausgebildet sein, so dass die hier beschriebenen Vorteile, wie etwa ein inniger Kontakt eines in einer Matrix fein verteilten Aktivmaterials mit dem Ionenleiter nicht von derart großer Relevanz sind.
  • Als Aktivmaterial für eine Komposit-Kathode sind insbesondere Lithium-Übergangsmetalloxide verwendbar, die mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Cobalt, Nickel, Mangan, Vanadium, Eisen, Antimon, Zinn und Tellur enthalten und optional Niob, Wolfram, Zirkon, Aluminium, Chrom, Magnesium oder Titan enthalten können. Ein in einer Lithium-Ionen-Festkörperbatterie verwendbares Lithium-Übergangsmetalloxid weist vorzugsweise die allgemeine Formel LixMyOz oder LixMyN04 auf, wobei M wenigstens ein Metall ist ausgewählt aus Co, Mn, Ni, V, Fe, Nb, W, Sb und/oder Te, bevorzugt ein Übergangsmetall ausgewählt aus Co, Ni und/oder Mn und n wenigstens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe S, P und/ oder Si. Das Lithium-Übergangsmetalloxid ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend LiCoO2, LiNiO2, LiVO2, LiV2O5, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, LiMn2O4, Li (Ni0,5Mn1,5)O4, Li1,3Nb0,3Mn0,4O2, LixNb2Os und Li4Ti4,95Nb0,05O12. Auch polyanionische Materialien mit Olivin-Struktur wie LiFePO4, LiMnPO4, LiNiPO4 oder LiCoPO4 sind verwendbar. Weiter verwendbar sind Li2FeSiO4, Li2MnSiO4, Li3V2(PO4)3 oder LiFexMn1-xPO4, Fluorphosphate wie LiVPO4F, oder Fluorsulfate wie LiFeSO4F, LiCoSO4F, LiNiSO4F. Weiter sind Lithiumreiche Kathodenmaterialien geeignet, die durch die Summenformel Li1+xMe1-xO2 beschrieben werden, wobei „Me“ wenigstens ein Metall ist ausgewählt aus Co, Mn und/oder Ni. Das Aktivmaterial der Komposit-Kathode weist vorzugsweise ein Potential gegen Lithium von wenigstens 2,8 V auf.
  • Es ist jedoch grundsätzlich auch nicht ausgeschlossen, dass das Aktivmaterial ein Anoden-Aktivmaterial umfasst, beispielsweise daraus besteht, die Festkörperelektrolytschicht somit eine Anode ist. Als Aktivmaterial für eine Komposit-Anode sind insbesondere die folgenden Werkstoffe verwendbar:
    • - Graphit, Hartkohlenstoff (hard carbons), Weichkohlenstoff (soft carbons), Graphit-Silicium-Komposite, Elemente und Zusammensetzungen der Gruppe IV des Periodensystems der Elemente wie Silizium, Si-M, Si-MC wobei M jeweils für wenigstens eines ausgewählt aus Mg, Ca, Ni, Fe, Co, Ag und Cu steht, Si-C, SiO und dessen Verbundwerkstoffe, Sn, Sn-basierte Oxidmaterialien und deren Verbundwerkstoffe wie SnO, SnO2, Sn-M, Sn-MC wobei M jeweils für wenigstens eines ausgewählt aus Mo, B, Si, Al, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg und Sb steht, Sn-MO wobei M für wenigstens eines ausgewählt aus Mo, B, Si, Al, Co, Cu, Mn, Fe, Ce, Mg und Sb steht, Sn1,0B0,5P0,5Al0,4M0,1O3,7 wobei M ein Alkalimetalle wie K ist, Ge, Pb, Elemente der Gruppe V wie P, As, Sb und Bi;
    • - Phosphor-basierte Intermetallverbindungen und ihre Komposite MPy (M = Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn und y = 1,2,3,4);
    • - Intermetallische Verbindungen auf Sb-Basis und ihre Verbundwerkstoffe MSby mit y = 1,2,3 wobei M für wenigstens eines ausgewählt aus Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn steht;
    • - Bi und seine Komposite und As und seine Komposite;
    • - Elemente wie Mg, Al, GaIn, Ag, AuZn, Cd;
    • - Übergangsmetalloxide MOx wobei M für wenigstens eines ausgewählt aus Mo, Fe, Co, Ni und Cu steht;
    • - Lithiumtitanat LixTiyO12 wobei das Li / Ti-Verhältnis im Bereich von 0,78 bis 0,82 liegt, x im Bereich von 3 bis 5 liegt und y im Bereich von 4 bis 6 liegt;
    sowie Mischungen der vorgenannten Materialien.
  • Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der Elektrode wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Batteriezelle sowie den Figuren verwiesen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Batteriezelle, insbesondere für einen Festkörperakkumulator, aufweisend eine Anode, eine Kathode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Separator, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von der Anode und der Kathode eine Elektrode umfasst, die ausgestaltet ist, wie vorstehend im Detail beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft somit eine Batteriezelle, insbesondere eine Festkörperzelle, welche auch als All-Solid-State-Zelle bezeichnet werden kann. Sie umfasst eine an sich bekannte Schichtfolge mit einer Kathode, einer Anode und einem zwischen Kathode und Anode angeordneten ionenleitenden Separator.
  • Eine derartige Batteriezelle kann eine oder eine Mehrzahl an entsprechenden Elektroden aufweisen, wie diese vorstehend im Detail beschrieben sind. Insbesondere kann eine derartige Batteriezelle eine oder zwei derartige Elektroden aufweisen, wobei diese die Kathode und/oder die Anode ausbilden können.
  • Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Kathode eine Elektrode aufweist, die ausgestaltet ist, wie dies beschrieben ist. In diesem Fall können die Anode und der Separator beispielsweise ausgestaltet sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Anode eine Elektrode aufweist, die ausgestaltet ist, wie dies beschrieben ist. In diesem Fall können die Kathode und der Separator beispielsweise ausgestaltet sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kathode und die Anode eine Elektrode aufweist, die ausgestaltet ist, wie dies beschrieben ist.
  • Bezüglich der Elektroden beziehungsweise bezüglich der Anode und/oder der Kathode kann es somit erreicht werden, dass auf das Vorsehen eines Leitzusatzes verzichtet werden kann oder kann der Anteil des Leitzusatzes signifikant gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik reduziert werden kann. Dadurch kann die Energiedichte deutlich erhöht werden im Vergleich zu Lösungen, bei denen ein vergleichsweise hoher Anteil an Leitzusatz vorliegt.
  • Darüber hinaus bietet sich der weitere Vorteil, dass durch die Ausgestaltung des Binders, der Charge-Transfer-Komplexe ausbildet, insbesondere in Kombination mit einem Festkörperelektrolyten, nicht nur eine hohe elektronische Leitfähigkeit, sondern auch eine hohe ionische Leitfähigkeit erzeugt wird. Dadurch wird es möglich, dass kurzschlussfrei eine gute Anbindung an den Separator und dadurch an die Gegenelektrode erfolgt.
  • Ferner hat sich gezeigt, dass in überraschender Weise in der Elektrodenschicht, die zusätzlich zu dem Binder und dem Aktivmaterial einen keramischen Festkörperelektrolyten aufweist, der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Kathoden-Aktivmaterial oder Anodenmaterial beziehungsweise Anoden-Aktivmaterial deutlich reduziert werden kann.
  • Dieser Vorteil kann sich auch für den Separator ergeben, wenn es vorgesehen ist, dass dieser wenigstens einen Ionenleiter, wie etwa den Festkörperelektrolyt und gegebenenfalls das ionisch leitende Salz, und einen Binder aufweist, wobei der Ionenleiter in dem Binder verteilt vorliegt, also etwa von dem Binder umfasst ist, und wobei der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet.
  • Eine vorbeschriebene Batteriezelle erlaubt somit neben einer hohen Energiedichte das Reduzieren von Übergangswiderständen zwischen Elektrolytpartikeln beziehungsweise zwischen Elektrolytpartikeln und Aktivmaterial. Somit kann ohne aufwändige Herstellungsschritte effektiv die Leistungsfähigkeit einer Trockenbatterie mit einem keramischen Festkörperelektrolyten verbessert werden.
  • Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der Batteriezelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Festkörperelektrolytschicht sowie die Figuren verwiesen.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
    • 2 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle; und
    • 3 eine schematische Ansicht einer Elektrode für eine Batteriezelle.
  • 1 zeigt eine Batteriezelle 10, insbesondere für einen Festkörperakkumulator. Insbesondere ist die Batteriezelle 10 für eine Lithiumbatterie beziehungsweise einen Lithiumakkumulator geeignet.
  • Die Batteriezelle 10 umfasst eine Anode 12, eine Kathode 14 und einen zwischen Kathode 14 und Anode 12 angeordneten Separator 16. Die Anode 12 umfasst einen Anodenableiter 18 als Stromableiter und die Kathode 14 umfasst einen Kathodenableiter 20 als Stromableiter, wobei die Stromableiter jeweils an einer Elektrodenschicht 24, 26 angeordnet sind.
  • Eine derartige Batteriezelle 10 weist wenigstens eine wie nachfolgend definierte Elektrode 22 auf. Die Elektrode 22 kann beispielsweise die Kathode 14 sein, wie dies in der 1 gezeigt ist.
  • Bezüglich der Elektrode 22 ist es vorgesehen, dass diese eine Elektrodenschicht 26 mit wenigstens einem Aktivmaterial und einem Binder aufweist, wobei das Aktivmaterial in dem Binder verteilt vorliegt. Es ist ferner vorgesehen, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5S/cm2, bevorzugt 10-3 S/cm liegt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Elektronenakzeptor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%, bezogen auf den Binder, und dass der Elektronendonor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew, bezogen auf den Binder.
  • Durch die Ausgestaltung des Binders kann es erreicht werden, dass die Elektrodenschicht frei von einem Leitzusatz ist oder einen Leitzusatz in einer Menge aufweist, die in einem Bereich liegt von ≥ 0 Gew.-% bis ≤ 1Gew.-%.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Elektronendonor als eine Polymerstruktur vorliegt und/oder dass der Elektronenakzeptor als Polymerstruktur vorliegt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung aus 1 kann es vorgesehen sein, dass die Elektrode 22 die Anode 12 ausbildet. Dies ist in der 2 gezeigt, welche ebenfalls eine Batteriezelle 10 zeigt und wobei mit Bezug auf 1 die gleichen Bezugszeichen gleichen oder entsprechenden Bauteilen zugeordnet sind. Dabei gelten die vorstehend für 1 beschriebenen Merkmale gleichermaßen für 2, wenn sich dies nicht ausschließt.
  • Um die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle weiter zu steigern, kann es ferner in der Ausgestaltung aus 1 wie auch in der Ausgestaltung nach 2 vorgesehen sein, dass der Separator 16 einen Ionenleiter und einen Binder 32 aufweist, wobei der Ionenleiter in dem Binder 32 verteilt vorliegt, und wobei der Binder 32 einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet. Es kann dann vorgesehen sein, dass der Elektronenakzeptor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%, bezogen auf den Binder 32, und dass der Elektronendonor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew, bezogen auf den Binder 32.
  • In der 3 ist ferner schematisch die Elektrode 22 beziehungsweise die Kathode 14 gezeigt, wobei insbesondere der Kathodenstromableiter 20 und die Elektrodenschicht 26 gezeigt sind.
  • Dabei zeigt die 3a eine Kathode 14, die neben einem ionisch leitfähigen Elektrolyt 29 Aktivmaterialpartikel 28 und einen Leitzusatz 30 umfasst. Dies kann eine Kathode 14 gemäß dem Stand der Technik sein.
  • Die 3b) zeigt eine Elektrode 22, beispielsweise eine Kathode 14, bei der wiederum Aktivmaterialpartikel 28 vorgesehen sind und ferner ein Binder 32 vorgesehen ist, der einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet und dadurch eine gute elektrische und ionische Leitfähigkeit aufweist. So können die Aktivmaterialpartikel 28 effektiv leitfähig miteinander verbunden werden.
  • Die Herstellung derartiger Elektroden kann grundsätzlich nach bekannten Verfahren erfolgen. So können die entsprechenden Materialien vermischt und anschließend etwa auf einen Stromableiter aufgebracht oder verpresst werden. Beispiele umfassen die sogenannte Slurry-Methode oder Extrusion.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2017/0018781 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Shizuo Tokito, Tetsuo Tetsui and Shogo Saito, Electrical Conductivity and Optical Properties of Poly(p-phenylene sulfide) Doped with Some Organic Acceptors, Polymer Journal, Vol. 17, No. 8, pp959-986 (1985) [0006]

Claims (15)

  1. Elektrode für eine Batteriezelle (10), insbesondere für eine Festkörperbatterie, wobei die Elektrode (22) eine Elektrodenschicht (24, 26) mit wenigstens einem Aktivmaterial und einem Binder (32) aufweist, wobei das Aktivmaterial in dem Binder (32) verteilt vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (32) einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet, wobei der Binder (32) eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, die in einem Bereich von größer oder gleich 10-5S/cm2, bevorzugt 10-3 S/cm, liegt.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (24, 26) frei von einem Leitzusatz (30) ist oder einen Leitzusatz (30) in einer Menge aufweist, die in einem Bereich liegt von ≥ 0 Gew.-% bis ≤ 1 Gew.-%.
  3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenakzeptor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%, bezogen auf den Binder (32), und dass der Elektronendonor in einem Bereich vorliegt von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%, bezogen auf den Binder (32), insbesondere wobei der Elektronenakzeptor und der Elektronendonor in einem äquimolaren Verhältnis vorliegen.
  4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonor als Polymerstruktur vorliegt.
  5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenakzeptor als Polymerstruktur vorliegt.
  6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (24, 26) ferner einen keramischen Festkörperelektrolyt aufweist.
  7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer von dem Elektronenakzeptor und dem Elektronendonor nicht als Polymerstruktur vorliegt.
  8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus - Naphthalin gemäß Formel (1)
    Figure DE102019206131A1_0039
     - Anthracen gemäß Formel (2)
    Figure DE102019206131A1_0040
     - Phenacin gemäß Formel (3)
    Figure DE102019206131A1_0041
     - Tetracen gemäß Formel (4)
    Figure DE102019206131A1_0042
     - Perylen gemäß Formel (5)
    Figure DE102019206131A1_0043
     - Coronen gemäß Formel (6)
    Figure DE102019206131A1_0044
     - Chrysen gemäß Formel (7)
    Figure DE102019206131A1_0045
     - Pyren gemäß Formel (8)
    Figure DE102019206131A1_0046
     - Tetrathiafulvalen (TTF)gemäß Formel (9)
    Figure DE102019206131A1_0047
     - Dimethyltetrathiafulvalen (DMTTF)gemäß Formel (10)
    Figure DE102019206131A1_0048
     - Dibenzotetrathiafulvalen gemäß Formel (11)
    Figure DE102019206131A1_0049
     - Trans-Stilben gemäß Formel (12)
    Figure DE102019206131A1_0050
    Formel (12); - Polybenzobisoxazole gemäß Formel (13)
    Figure DE102019206131A1_0051
    wobei X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus NH (Polyimidazol), O (Polyoxazol) und S (Polythiazol), und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyethin gemäß Formel (14)
    Figure DE102019206131A1_0052
    wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyphenylenvinyliden gemäß Formel (15)
    Figure DE102019206131A1_0053
    wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyanilin der Formel (16)
    Figure DE102019206131A1_0054
    wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyphenylensulfid der Formel (17)
    Figure DE102019206131A1_0055
    wobei C = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polypyrrol gemäß Formel (18)
    Figure DE102019206131A1_0056
    wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polythiophen gemäß Formel (19)
    Figure DE102019206131A1_0057
    wobei X = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyfluoren gemäß Formel (20)
    Figure DE102019206131A1_0058
    wobei R = gleich oder verschieden sind und H oder Alkylreste von C2H5 bis C12H26 ist, wobei die Alkylreste verzweigt oder unverzweigt sein können, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polycarbazol gemäß Formel (21)
    Figure DE102019206131A1_0059
    wobei R = H oder Alkylreste von C2H5 bis C12H26 ist, wobei die Alkylreste verzweigt oder unverzweigt sein können, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; und - sulfoniertem Polyimid (SPI)gemäß Formel (22)
    Figure DE102019206131A1_0060
    wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist.
  9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenakzeptor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus - 77,88-tetracyanoquinodimethan (TCNQ) gemäß Formel (23)
    Figure DE102019206131A1_0061
    wobei R1 bis R4 H sind(TCNQ); oder R1 bis R4 F sind (Fluoro TCNQ); - Tetracyanoethylen (TCNE) gemäß Formel (24)
    Figure DE102019206131A1_0062
     - Benzoquinon gemäß Formel (25)
    Figure DE102019206131A1_0063
    wobei R = H; - Fluoranil gemäß Formel (26)
    Figure DE102019206131A1_0064
    wobei R = F; - Chloranil gemäß Formel (27)
    Figure DE102019206131A1_0065
    wobei R = Cl; - Fullerene gemäß Formel 28
    Figure DE102019206131A1_0066
     - Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA)gemäß Formel (29)
    Figure DE102019206131A1_0067
     - Gegebenenfalls substituiertes 1,4 Benzochinon gemäß Formel (30)
    Figure DE102019206131A1_0068
    wobei X1 bis X4 = Br, oder wobei X1 bis X4 = I, oder wobei X1 und X3 = Br und wobei X2 und X4 = I, oder wobei X1 und X4 = Br und wobei X2 und X3 = Cl; - Tetracyanopyrazin (TCNP) gemäß Formel (31)
    Figure DE102019206131A1_0069
     - Tetramethyltetrathiafulvalene (TNAP)gemäß Formel (32)
    Figure DE102019206131A1_0070
     - 1,2,4,5-Tetracyanobenzene (TCNB) gemäß Formel (33)
    Figure DE102019206131A1_0071
     - Hexacyanobutadien (HCNBu) gemäß Formel (34)
    Figure DE102019206131A1_0072
     - N, N'-dicyanoquinodiimin (DCNQI)gemäß Formel (35)
    Figure DE102019206131A1_0073
     - Dihydroxynaphtalen(DNH)gemäß Formel (36)
    Figure DE102019206131A1_0074
  10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (28) ein Kathoden-Aktivmaterial umfasst.
  11. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (32) ferner ein ionenleitendes Salz umfasst.
  12. Batteriezelle, insbesondere für einen Festkörperakkumulator, aufweisend eine Anode (12), eine Kathode (14) und einen zwischen Kathode (14) und Anode (12) angeordneten Separator (16), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von der Anode (12) und der Kathode (14) eine Elektrode (22) ausbildet, die ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  13. Batteriezelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (14) eine Elektrode (22) ausbildet, die ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  14. Batteriezelle nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (12) eine Elektrode (22) ausbildet, die ausgestaltet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
  15. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (16) einen Ionenleiter und einen Binder (32) aufweist, wobei der Ionenleiter in dem Binder (32) verteilt vorliegt, und wobei der Binder (32) einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet.
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