DE102019206133A1 - Festkörperelektrolytschicht und Batteriezelle aufweisend eine Festkörperelektrolytschicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Festkörperelektrolytschicht (22) für eine Batteriezelle (10), insbesondere für eine Festkörper-batterie, wobei die Festkörperelektrolytschicht (22) einen keramischen Festkörperelektrolyt und einen Binder aufweist, wobei der keramische Festkörperelektrolyt 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. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Batteriezelle (10), die eine solche Festkörperelektrolytschicht (22), insbesondere als Kathode (14) und/oder als Separator (16) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Festkörperelektrolytschicht, insbesondere zum Einsatz in einer Batteriezelle für einen Festkörperakkumulator. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Festkörperakkumulator, der eine derartige Festkörperelektrolytschicht 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, sulfidischen Keramiken 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 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 keramischen Festkörperelektrolyten. Dieser kann dem keramischen Material des Separators entsprechen, um eine möglichst gute Ionenleitung zu erzielen.
• Innerhalb der Kompositkathode sollte eine gute Anbindung zwischen dem Aktivmaterial und dem Ionenleiter erreicht werden. Damit die Ionenleitung über die Schichtgrenzfläche möglichst geringe Einbußen zeigt, ist eine gute Verbindung der beiden Schichten notwendig. Um dies zu erreichen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass die beiden Schichten zusammengesintert werden. Die Sintertemperaturen keramischer Festelektrolyte liegen meist bei 900°C bis 1200°C. Bei diesen Temperaturen zersetzen sich übliche Kathodenmaterialien jedoch und können daraufhin Lithium-Ionen nicht mehr speichern. Um die Sintertemperatur herabzusetzen, werden daher Sinterhilfsmittel eingesetzt, die während des Sinterns bei tieferen Temperaturen als 900°C bis 1200°C eine flüssige Phase bilden.
• US 2017/0179521 A1 beschreibt Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, eines Festkörperelektrolyten sowie einer diese umfassenden Anordnung für eine elektrochemische Vorrichtung mittels Sintern. Ein derartiger Festkörperelektrolyt kann einen keramischen Elektrolyt mit einem Binder aufweisen. Ein Sinterhilfsmittel umfasst Borat-, Phosphat-, Silikat-, und Aluminatsalze, beispielsweise Boralkoxide, Siliziumalkoxide, Aluminiumalkoxide oder deren Mischungen. Ferner werden Salze von Lithium und längerkettigen Fettsäuren als Dispergiermittel beschrieben. Die Sintertemperatur liegt im Bereich von 300 °C bis 1200 °C. Eine weitere Verbesserung der Verarbeitungstemperatur ist jedoch wünschenswert.
• 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 Festkörperelektrolytschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 13. 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 Festkörperelektrolytschicht für eine Batteriezelle, insbesondere für eine Festkörperbatterie, wobei die Festkörperelektrolytschicht einen keramischen Festkörperelektrolyt und einen Binder aufweist, wobei der keramische Festkörperelektrolyt 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.
• Eine derartige Festkörperelektrolytschicht kann gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen.
• Beschrieben wird somit eine Festkörperelektrolytschicht. Diese dient dem Einsatz in einer Batteriezelle, insbesondere in einer Festkörperbatterie. Dabei kann die Festkörperelektrolytschicht beispielsweise Teil einer Kathode, insbesondere Teil einer Komposit-Kathode, oder Teil einer Anode, insbesondere einer Komposit-Anode, der Batteriezelle sein. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine derartige Festkörperelektrolytschicht als Separatorschicht ausgebildet ist, die zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist.
• Durch eine mögliche Ausgestaltung der Festkörperelektrolytschicht ohne Lösungsmittel kann die Batteriezelle, welche mit wenigstens einer derartigen Festkörperelektrolytschicht ausgestattet ist, als Trocken-Batteriezelle ausgestaltet sein beziehungsweise eine Trockenbatterie ausbilden.
• Vorteile einer Trockenzelle beziehungsweise Trockenbatterie umfassen beispielsweise durch das Vorsehen eines Festkörper-Elektrolyten, 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 Umfeldgefährdung vermieden werden, die etwa durch ein Auslaufen einer klassischen Nassbatterie entstehen, und die Umwelt wie auch umstehende Personen gefährden können.
• Bei der hier beschriebenen Festkörperelektrolytschicht ist es ferner vorgesehen, dass die Festkörperelektrolytschicht einen keramischen Festkörperelektrolyt und einen Binder aufweist, wobei der keramische Festkörperelektrolyt in dem Binder verteilt vorliegt. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt, dass durch den keramischen Festkörperelektrolyten eine hohe ionische Leitfähigkeit vorliegen kann und dieser durch den Binder ferner gut verteilt und homogen vorliegen kann. Dadurch kann es möglich sein, dass die gesamte Festkörperelektrolytschicht etwa hinsichtlich der ionischen Leitfähigkeit homogene Eigenschaften aufweist, was einer guten Leistungsfähigkeit einer mit einer derartigen Festkörperelektrolytschicht ausgestatteten Batteriezelle zuträglich ist.
• Der keramische Festkörperelektrolyt kann grundsätzlich ausgestaltet sein, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist und nachfolgend in größerem Detail beschrieben ist.
• Keramische Festkörperelektrolyte sind etwa gegenüber Polymerelektrolyten vorteilhaft, da die Polymere zum Teil nicht stabil sind gegenüber hohen Spannungen, die (Hoch-volt-)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.
• Hinsichtlich des Binders ist die Festkörperelektrolytschicht wie folgt ausgestaltet.
• Im Detail ist es vorgesehen, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet.
• 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. Denn durch die polymere Struktur kann der Binder vorteilhaft seine eigentliche Aufgabe wahrnehmen, wie insbesondere das Aufnehmen und immobilisieren des keramischen Festkörperelektrolyten. Ferner braucht so kein zusätzliches Polymer als Bindermaterial hinzugefügt werden.
• 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.
• Grundsätzlich jedoch ist die exakte Ausgestaltung der Elektronendonoren beziehungsweise der Elektronenakzeptoren frei wählbar.
• Insbesondere eine derartige Ausgestaltung eines Binders wie vorstehend beschrieben in Kombination mit dem keramischen Festkörperelektrolyt kann gegenüber Lösungen aus dem Stand der Technik deutliche Vorteile aufweisen.
• 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 Festkörperelektrolytschicht, 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.
• Insbesondere kann es erreicht werden, dass durch den hier verwendeten Binder das Potential, Ionen, wie insbesondere Lithiumionen, zu leiten, deutlich verbessert wird, was den Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Kathoden-Aktivmaterial deutlich reduzieren kann.
• Dadurch kann weiterhin die Zyklisierbarkeit und damit die Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle auch über lange Betriebsdauern und eine hohe Anzahl an Lade- und Entladevorgängen deutlich verbessert werden.
• Darüber hinaus ist das Vorsehen eines Binders, der Charge-Transfer-Komplexe ausbildet beziehungsweise aufweist, gegenüber anderen derartigen Lösungen aus dem Stand der Technik vorteilhaft, die sich auf die Reduzierung des zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Kathoden-Aktivmaterial auftretenden Übergangswiderstands beziehen.
• Denn bekannt ist es beispielsweise, dass zur Reduzierung des vorbeschriebenen Grenzflächenwiderstands beziehungsweise Übergangswiderstands Elektrolytpartikel beispielsweise mit PLD- oder ALD-Techniken beschichtet werden. Alternativ ist es bekannt, dass Elektrolytpulver bei hohen Temperaturen versintert werden. Dies wird auch gemeinsam mit den Kathodenmaterialien durchgeführt, um so eine defektfreie Kontaktierung zwischen den Partikeln zu generieren.
• Derartige Verfahren können jedoch noch Nachteile aufweisen, die durch eine erfindungsgemäße Festkörperelektrolytschicht gerade überwunden werden können.
• So kann ein Versintern der Elektrolytpartikel nur bei harschen Bedingungen, wie insbesondere hohen Temperaturen und langen Reaktionszeiten erfolgen, was zu Problemen hinsichtlich der Stabilität der Kathoden-Aktivmaterialien führen kann. Dies kann erfindungsgemäß jedoch gerade verhindert werden.
• Wenn eine Beschichtung zum Herabsetzen des Grenzflächenwiderstands erfolgen soll, bedeutet dies einen weiteren Prozessschritt, der Verfahren zum Herstellen von Batteriezellen aufwändiger gestaltet. Dies kann jedoch erfindungsgemäß gerade umgangen werden, was für die Einfachheit der Erzeugung der hier beschriebenen Festkörperelektrolytschicht spricht.
• Somit erlaubt eine vorbeschriebene Festkörperelektrolytschicht effektiv und auf einfache Weise das Reduzieren von Übergangswiderständen zwischen Elektrolytpartikeln beziehungsweise zwischen Elektrolytpartikeln und Aktivmaterial. Somit kann ohne aufwendige 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 vorbeschriebenen Vorteile können besonders vorteilhaft erreicht werden, wenn der Binder ferner ein ionenleitendes Salz, insbesondere ionenleitendes Lithiumsalz, aufweist, wobei das ionenleitende Salz, insbesondere ionenleitende Lithiumsalz, nicht keramisch ist und ferner kein Aktivmaterial etwa für eine Lithiumbatterie ist.
• 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 (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiSO₃CF₃) , Lithium-bis(trifluormethylsulphonyl)imid (LiN(SO₂CF₃)₂, LiTFSI), Lithiumbis (pentafluorethylsulphonyl) imid (LiN(SO₂C₂F₅)₂), Li-thiumbis(oxalato)borat (LiBOB,LiB(C₂O₄)₂), Lithiumdiflu-or(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.
• 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.
• 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 zu den Elektronenakzeptoren benachbart lokalisiert sind und mit diesen so wechselwirken können. 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 ist. Dies kann eine besonders einfache Herstellbarkeit ermöglichen, da die Elektronenakzeptoren beziehungsweise Elektronendonoren im Wesentlichen unverändert in das Bindersystem eingebracht werden können.
• Es sei jedoch erwähnt, dass diese Ausgestaltung umfasst, dass der Elektronenakzeptor oder Elektronendonor beispielsweise mit einem Elektronendonor beziehungsweise Elektronenakzeptor 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)
  
• - Anthracen gemäß Formel (2)
  
• - Phenacin gemäß Formel (3)
  
• - Tetracen gemäß Formel (4)
  
• - Perylen gemäß Formel (5)
  
• - Coronen gemäß Formel (6)
  
• - Chrysen gemäß Formel (7)
  
• - Pyren gemäß Formel (8)
  
• - Tetrathiafulvalen (TTF)gemäß Formel (9)
  
• - Dimethyltetrathiafulvalen (DMTTF)gemäß Formel (10)
  
• - Dibenzotetrathiafulvalen gemäß Formel (11)
  
• - Trans-Stilben gemäß Formel (12)
  
• - Polybenzobisoxazole gemäß Formel (13)
  
  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)
  
  wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polyphenylenvinyliden gemäß Formel (15)
  
  wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polyanilin der Formel (16)
  
  wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polyphenylensulfid der Formel (17)
  
  
  wobei C = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polypyrrol gemäß Formel (18)
  
  wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polythiophen gemäß Formel (19)
  
  wobei X = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist;
• - Polyfluoren gemäß Formel (20)
  
  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)
  
  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)
  
  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)
  
  wobei R1 bis R4 H sind(TCNQ); oder R1 bis R4 F sind (Fluoro TCNQ);
• - Tetracyanoethylen (TCNE) gemäß Formel (24)
  
• - Benzoquinon gemäß Formel (25)
  
  wobei R = H;
• - Fluoranil gemäß Formel (26)
  
  wobei R = F;
• - Chloranil gemäß Formel (27)
  
  wobei R = Cl;
• - Fullerene gemäß Formel 28
  
• - Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA)gemäß Formel (29)
  
• - Gegebenenfalls substituiertes 1,4 Benzochinon gemäß Formel (30)
  
  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)
  
• - Tetramethyltetrathiafulvalene (TNAP)gemäß Formel (32)
  
• - 1,2,4,5-Tetracyanobenzene (TCNB) gemäß Formel (33)
  
• - Hexacyanobutadien (HCNBu) gemäß Formel (34)
  
  
• - N, N'-dicyanoquinodiimin (DCNQI)gemäß Formel (35)
  
• - Dihydroxynaphtalen(DNH)gemäß Formel (36)
  
• 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

  
• 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,

  
• 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 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 in einem derartigen Verhältnis vorliegen, dass bezüglich eines Molverhältnisses der Akzeptor in einem Überschuss vorliegt. Dies kann insbesondere der ionischen Leitfähigkeit zuträglich sein. Alternativ oder zusätzlich können weitere Zusätze, wie etwa die vorbeschriebenen ionisch leitenden Salze, ebenfalls vom Binder umfasst sein.
• 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 Li_xPO_yN_z verwendet.
• Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit einer kristallinen NaSICon- oder NaSICon-artigen Struktur sind ausgewählt aus Li_1,3Al_0,3Ti_1,7 (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, Li₃Si_0,4P_0,6S₄ und Sn-dotiertes Li₃PS₄. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Granat-Kristallphase sind ausgewählt aus Li_6,75La₃Zr₂Ta_0,25O₁₂ und Li₇La₃Zr₂O₁₂. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Perowskit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li_0,34La_0,51TiO_2,94, LiSr₂Ti₂NbO₉ und Li_0,06La_0,66Ti_0,93Al_0,03O₃. Bevorzugte Lithiumhaltige Keramiken oder Glaskeramiken mit Anti-Perovkit-Kristallphase sind ausgewählt aus Li₃OCl und Li₃OCl_0,5Br_0,5. 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.
• Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Festkörperelektrolytschicht ferner ein Aktivmaterial und einen Leitzusatz aufweist, wobei unter einem Leitzusatz im weiteren stets ein Zusatz zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit gemeint ist. In dieser Ausgestaltung kann es somit vorgesehen sein, dass die Festkörperelektrolytschicht Teil einer Elektrode, insbesondere Teil einer Kathode, ist. Beispielsweise kann die Festkörperelektrolytschicht in dieser Ausgestaltung aus dem Festkörperelektrolyten, dem Binder, dem Aktivmaterial und dem Leitzusatz und gegebenenfalls einem ionisch leitendem Salz bestehen und/oder kann diese Schicht mit einem Stromableiter verbunden werden, um die Elektrode auszubilden.
• Der Leitzusatz kann 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 Kohlenstoffnanodrähten.
• 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 Li_xM_yO_z oder Li_xM_yNO₄ 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, LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂, LiMn₂O₄, Li (Ni_0,5Mn_1,5) O₄, Li₁,₃Nb_0,3Mn_0,4O₂, Li_xNb₂O₅ und Li₄Ti_4,95Nb_0,05O₁₂. Auch polyanionische Materialien mit Olivin-Struktur wie LiFePO₄, LiMnPO₄, LiNiPO₄ oder LiCoPO₄ sind verwendbar. Weiter verwendbar sind Li₂FeSiO₄, Li₂MnSiO₄, Li₃V₂ (PO₄) ₃ oder LiFe_xMn_1-xPO₄, Fluorphosphate wie LiVPO₄F, oder Fluorsulfate wie LiFeSO₄F, LiCoSO₄F, LiNiSO₄F. Weiter sind Lithium-reiche Kathodenmaterialien geeignet, die durch die Summenformel Li_1+xMe_1-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. Dabei kann bis auf das Aktivmaterial die Beschreibung für die Kathode auch für die Anode gelten.
• 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, Sn_1,0B_0,5P_0,5Al_0,4M_0,1O_3,7 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 MP_y (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 MO_x wobei M für wenigstens eines ausgewählt aus Mo, Fe, Co, Ni und Cu steht;
• - Lithiumtitanat Li_xTi_yO₁₂ 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.
• Wenn die Festkörperelektrode ferner Teil einer Elektrode ist, kann die Festkörperelektrolytschicht ferner benachbart zu einem Stromableiter angeordnet sein.
• Der Stromableiter wiederum kann grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt gewählt werden. Bei dem Erzeugen einer Kathode kann beispielsweise eine Aluminiumfolie verwendet werden, wohingegen bei dem Erzeugen 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 Anteile von Aktivmaterial und Leitzusatz im Verhältnis zu einander, zu dem Festkörperelektrolyt und/oder zu dem Binder und damit die Anteile sämtlicher Bestandteile zueinander können wiederum in für den Fachmann verständlicher Weise in geeigneter Weise angepasst werden. Dabei können die Bestandteile etwa in den folgenden Anteilen vorliegen, bezogen auf die gesamte Festkörperelektrolytschicht, wobei diese Ausgestaltung insbesondere für eine Elektrode von Vorteil ist:
• - Binder in einem Anteil von ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 20 Gew.-%;
• - Leitzusatz (elektrisch leitend) in einem Anteil von ≥ 0,1 Gew.-% bis ≤ 20 Gew.-%;
• - Festkörperelektrolyt in einem Anteil von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 30 Gew.-%;
• - Aktivmaterial in einem Anteil von ≥ 30 Gew.-% bis ≤ 98,8 Gew.-%;
wobei sich die vorbeschriebenen Bestandteile zu 100 Gew.-% addieren können.
• Weiterhin kann das vorstehend beschriebene ionisch leitende Salz von dem Binder umfasst sein und in einem Anteil vorliegen von ≥ 0 mol/1 bis ≤ 5 mol/l, bezogen auf den Binder, und somit in obiger Zusammensetzung dem Binder zuzuordnen sein.
• Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Festkörperelektrolytschicht frei ist von einem Aktivmaterial und einem Leitzusatz. In dieser Ausgestaltung kann die Festkörperelektrolytschicht beispielsweis eine elektronische Leitfähigkeit aufweisen, die in einem Bereich liegt von kleiner oder gleich 10^-10 S/cm², wobei diese Werte vorliegen können durch Anpassung der Zusammensetzung und dabei insbesondere durch den Anteil an Leitzusatz beziehungsweise Charge-Transfer Komplexen.
• Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem ohne Leitzusatz die Charge-Transfer-Komplexe in dem oben beschriebenen Bereich vorliegen.
• In dieser Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Festkörperelektrolytschicht eine Separatorschicht in einer Batteriezelle ausbildet und somit zwischen einer Kathode und einer Anode vorliegt. Dies kann es ermöglichen, dass eine niedrige elektrische Leitfähigkeit kombiniert wird mit einer hohen ionischen Leitfähigkeit, wobei wie vorstehend beschrieben die Grenzflächenwiderstände zischen den Elektrolytpartikeln besonders gering sein können. Somit kann eine derartige Separatorschicht eine besonders hohe Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle erlauben.
• In dieser Ausgestaltung können die Bestandteile etwa in den folgenden Anteilen vorliegen, bezogen auf die gesamte Festkörperelektrolytschicht, wobei diese Ausgestaltung insbesondere für einen Separator von Vorteil ist:
• - Binder in einem Anteil von ≥ 80 Gew.-% bis ≤ 99 Gew.-%; und
• - Festkörperelektrolyt in einem Anteil von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 20 Gew.-%;
wobei sich die vorbeschriebenen Bestandteile zu 100 Gew.-% addieren können.
• Weiterhin kann das vorstehend beschrieben ionisch leitende Salz von dem Binder umfasst sein und in einem Anteil vorliegen von ≥ 0 mol/1 bis ≤ 5 mol/l, bezogen auf den Binder, und somit in obiger Zusammensetzung dem Binder zuzuordnen sein.
• Bei der Ausgestaltung der Festkörperelektrolytschicht als Separator können Kathode und Anode grundsätzlich ausgebildet sein, wie es für Festkörperbatterien, wie etwa Lithiumakkumulatoren, aus dem Stand der Technik bekannt ist.
• Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile der Festkörperelektrolytschicht 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, wobei die Batteriezelle wenigstens eine Festkörperelektrolytschicht aufweist wie diese vorstehend im Detail beschrieben ist.
• 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 Festkörperelektrolytschichten aufweisen, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Insbesondere kann eine derartige Batteriezelle eine oder zwei oder drei derartige Festkörperelektrolytschichten aufweisen, wobei diese die Kathode und/oder die Anode und/oder den Separator ausbilden können.
• In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass nur die Kathode, nur die Anode, nur die Separatorschicht, die Kathode und die Anode, die Kathode und die Speratorschicht, die Anode und die Separatorschicht oder sämtliche der Kathode, der Anode und der Separatorschicht eine vorbeschriebene Festkörperelektrolytschicht aufweist. Für den Fall, dass die Kathode oder die Anode die Festkörperelektrolytschicht aufweist, ist insbesondere gemeint, dass die Festkörperelektrolytschicht die Kathodenschicht beziehungsweise die Anodenschicht ausbildet. Die jeweils nicht durch eine derartige Festkörperelektrolytschicht gebildeten Schichten können grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgebildet werden, etwa in für Lithiumbatterien, insbesondere Trockenbatterien, bekannter Weise.
• Eine derartige Batteriezelle kann grundsätzlich vorteilhaft sein, da dadurch, dass in der Festkörperelektrolytschicht, die einen Festkörperelektrolyten aufweist, ferner derart ein Elektronendonor und eine 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.
• Insbesondere kann es erreicht werden, dass durch den hier verwendeten Binder das Potential, Ionen zu leiten, deutlich verbessert wird. Beispielsweise kann das Potential, Lithiumionen zu leiten, verbessert werden. Der Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elektrolytpartikeln oder auch zwischen Elektrolytpartikeln und Kathodenmaterial beziehungsweise Anodenmaterial oder in anderen Worten Kathoden-Aktivmaterial beziehungsweise Anoden-Aktivmaterial kann deutlich reduziert werden.
• Dadurch kann weiterhin die Zyklisierbarkeit und damit die Leitungsfähigkeit auch über lange Betriebsdauern und eine hohe Anzahl an Lade- und Entladevorgängen deutlich 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; und
• 2 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 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. An der Anode 12 ist ein Anodenableiter 18 und eine Anodenschicht 24 vorgesehen und an der Kathode 14 ist ein Kathodenableiter 20 und eine Kathodenschicht 26 vorgesehen.
• Eine derartige Batteriezelle 10 weist wenigstens eine Festkörperelektrolytschicht 22 auf. Die Festkörperelektrolytschicht 22 kann beispielsweise die Kathode 14 ausbilden, also Teil dieser sein wie dies in der 1 gezeigt ist. Insbesondere bildet die Festkörperelektrolytschicht 22 die Kathodenschicht 26.
• Bezüglich der Festkörperelektrolytschicht 22 ist es ferner vorgesehen, dass die Festkörperelektrolytschicht 22 einen keramischen Festkörperelektrolyt und einen Binder aufweist, wobei der keramische Festkörperelektrolyt in dem Binder verteilt vorliegt. Der Festkörperelektrolyt ist insbesondere ein lithiumionenleitender Festkörperelektrolyt.
• Der Binder ist derart ausgebildet, dass der Binder einen Elektronendonor und einen Elektronenakzeptor aufweist derart, dass der Elektronendonor mit dem Elektronenakzeptor einen Charge-Transfer-Komplex ausbildet. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Elektronendonor kovalent an eine Polymerstruktur gebunden ist oder kovalent in eine Polymerstruktur eingebunden ist und/oder dass der Elektronenakzeptor kovalent an eine Polymerstruktur gebunden ist oder kovalent in eine Polymerstruktur eingebunden ist. Ferner ist es möglich, dass der Elektronenakzeptor beziehungsweise Elektronendonor nicht kovalent an eine Polymerstruktur gebunden beziehungsweise nicht kovalent in diese eingebunden vorliegt.
• Für den in 1 gezeigten Fall, dass die Festkörperelektrolytschicht 22 eine Kathode 14 beziehungsweise die Kathodenschicht 26 ausbildet ist es ferner vorgesehen, dass die Festkörperelektrolytschicht 22 ferner ein Aktivmaterial, welches insbesondere als Lithiumsalz ausgebildet ist, und einen Leitzusatz aufweist. Das Aktivmaterial, welches in diesem Fall ein Kathodenaktivmaterial ist, wie auch der Leitzusatz können grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgebildet sein.
• Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung aus 1 kann es vorgesehen sein, dass die Festkörperelektrolytschicht 22 den Separator 16 ausbildet beziehungsweise dass der Separator 16 aus der Festkörperelektrolytschicht 22 besteht. 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. Insbesondere ist es in der 2 bevorzugt vorgesehen, dass die Festkörperelektrolytschicht 22 frei ist von einem Aktivmaterial und einem Leitzusatz.
• Die Herstellung derartiger Festkörperelektrolytschichten 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 2017/0179521 A1 [0006]
• US 2017/0018781 A1 [0007]
• 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) [0008]

Claims (15)

1. Festkörperelektrolytschicht für eine Batteriezelle (10), insbesondere für eine Festkörperbatterie, wobei die Festkörperelektrolytschicht (22) einen keramischen Festkörperelektrolyt und einen Binder aufweist, wobei der keramische Festkörperelektrolyt 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.
2. Festkörperelektrolytschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonor als Polymerstruktur vorliegt.
3. Festkörperelektrolytschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenakzeptor als Polymerstruktur vorliegt.
4. Festkörperelektrolytschicht nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonor als Polymerstruktur vorliegt und dass der Elektronenakzeptor als Polymerstruktur vorliegt derart, dass der Elektronendonor und der Elektronenakzeptor ein gemeinsames Copolymer ausbilden.
5. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer von dem Elektronenakzeptor und dem Elektronendonor nicht als Polymerstruktur vorliegt.
6. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronendonor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus - Naphthalin gemäß Formel (1)

   

   - Anthracen gemäß Formel (2)

   

   - Phenacin gemäß Formel (3)

   

   - Tetracen gemäß Formel (4)

   

   - Perylen gemäß Formel (5)

   

   

   - Coronen gemäß Formel (6)

   

   - Chrysen gemäß Formel (7)

   

   - Pyren gemäß Formel (8)

   

   - Tetrathiafulvalen (TTF)gemäß Formel (9)

   

   - Dimethyltetrathiafulvalen (DMTTF)gemäß Formel (10)

   

   - Dibenzotetrathiafulvalen gemäß Formel (11)

   

   - Trans-Stilben gemäß Formel (12)

   

   - Polybenzobisoxazole gemäß Formel (13)

   

   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)

   

   wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyphenylenvinyliden gemäß Formel (15)

   

   wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyanilin der Formel (16)

   

   wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyphenylensulfid der Formel (17)

   

   wobei C = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polypyrrol gemäß Formel (18)

   

   wobei X = NH, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polythiophen gemäß Formel (19)

   

   wobei X = S, und wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist; - Polyfluoren gemäß Formel (20)

   

   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)

   

   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)

   

   wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 10 bis 100000 ist.
7. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenakzeptor eine Molekülstruktur aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus - 77,88-tetracyanoquinodimethan (TCNQ) gemäß Formel (23)

   

   

   wobei R1 bis R4 H sind(TCNQ); oder R1 bis R4 F sind (Fluoro TCNQ); - Tetracyanoethylen (TCNE) gemäß Formel (24)

   

   - Benzoquinon gemäß Formel (25)

   

   wobei R = H; - Fluoranil gemäß Formel (26)

   

   wobei R = F; - Chloranil gemäß Formel (27)

   

   wobei R = Cl; - Fullerene gemäß Formel 28

   

   - Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA)gemäß Formel (29)

   

   - Gegebenenfalls substituiertes 1,4 Benzochinon gemäß Formel (30)

   

   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)

   

   - Tetramethyltetrathiafulvalene (TNAP)gemäß Formel (32)

   

   - 1,2,4,5-Tetracyanobenzene (TCNB) gemäß Formel (33)

   

   - Hexacyanobutadien (HCNBu) gemäß Formel (34)

   

   

   - N, N'-dicyanoquinodiimin (DCNQI)gemäß Formel (35)

   

   - Dihydroxynaphtalen(DNH)gemäß Formel (36)

   
8. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 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.
9. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Festkörperelektrolyt ein Lithiumionen-leitendes Festkörperelektrolytmaterial umfasst.
10. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperelektrolytschicht (22) ferner ein Aktivmaterial und einen Leitzusatz aufweist.
11. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder ferner ein ionenleitendes Salz umfasst.
12. Festkörperelektrolytschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperelektrolytschicht frei ist von einem Aktivmaterial und eine Leitzusatz.
13. Batteriezelle, insbesondere für einen Festkörperakkumulator, aufweisend eine Anode (12), eine Kathode (14) und einen zwischen Kathode (14) und Anode (12) angeordneten Separator (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) wenigstens eine Festkörperelektrolytschicht (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
14. Batteriezelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator die Festkörperelektrolytschicht (22) umfasst.
15. Batteriezelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode die Festkörperelektrolytschicht (22) umfasst.

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