DE102020112612A1 - Anodenlose festkörperbatterie - Google Patents

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Sang Heon Lee
Hoon Seok
Tae Young Kwon
Jae Min Lim
Sang Mo KIM
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Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Motors Corp
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Abstract

Anodenlose Festkörperbatterie 1 aufweisend eine poröse Schicht 20, die geeignet ist, Lithium zu speichern und freizugeben, statt einer typischen Verbundanode, welche ein aktives Anodenmaterial aufweist, wodurch die Energiedichte davon stark verbessert wird. Die Festkörperbatterie 1 weist auf eine Anodenstromabnehmerschicht 10, eine poröse Schicht 20, welche an wenigstens einer Fläche der Anodenstromabnehmerschicht 10 bereitgestellt und konfiguriert ist, ein dreidimensionales, vernetztes Gerüst aufzuweisen, um Poren 22 darin auszubilden, eine fester-Elektrolyt-Schicht 30, welche an der porösen Schicht 20 bereitgestellt ist, und eine Verbundkathodenschicht 40, welche an der fester-Elektrolyt-Schicht 30 bereitgestellt ist, in welcher ein Keimmaterial 50 an einer Grenzfläche zwischen der Anodenstromabnehmerschicht 10 und der porösen Schicht 20 und an einer Grenzfläche zwischen der porösen Schicht 20 und der fester-Elektrolyt-Schicht 30 bereitgestellt ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine anodenlose Festkörperbatterie und insbesondere eine Festkörperbatterie, welche eine poröse Schicht aufweist, die dazu geeignet ist, Lithium zu speichern und freizugeben, statt einer typischen Verbundanode, welche ein anodenaktives Material aufweist, wodurch die Energiedichte davon stark verbessert wird.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Wiederaufladbare Sekundärbatterien werden nicht nur für kleine elektronische Geräte, wie z.B. Handys, Laptops und dergleichen, verwendet, sondern auch für große Transportfahrzeuge, wie z.B. Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge und dergleichen. Demzufolge gibt es einen Bedarf, Sekundärbatterien mit größerer Stabilität und Energiedichte zu entwickeln.
  • Konventionelle Sekundärbatterien sind meistens so konfiguriert, dass Zellen unter Verwendung eines organischen Lösemittels (organischer, flüssiger Elektrolyt) ausgebildet sind, und deshalb werden dem Ausmaß, in dem die Stabilität und Energiedichte davon verbessert werden können, Beschränkungen auferlegt.
  • Währenddessen bekommt eine Festkörperbatterie, welche einen anorganischen, festen Elektrolyten verwendet, dieser Tage viel Aufmerksamkeit, weil eine Zelle auf sicherere und einfachere Weise hergestellt werden kann, weil ein organisches Lösemittel vermieden wird.
  • Jedoch ist die Festkörperbatterie problematisch darin, dass die Energiedichte und Ausgabeenergieleistung davon nicht mit denen einer konventionellen Lithium-Ionen-Batterie unter Verwendung eines flüssigen Elektrolyten entspricht. Mit dem Ziel des Lösens des obigen Problems wird derzeit ausführliche Forschung zum Verbessern der Elektroden von Festkörperbatterien betrieben.
  • Insbesondere ist die Anode für eine Festkörperbatterie hauptsächlich aus Graphit gebildet. In diesem Fall kann lonenleitfähigkeit gesichert werden, wenn ein Überschuss eines festen Elektrolyten mit großer, spezifischer Dichte zusammen mit Graphit zugefügt wird, und deshalb ist die Energiedichte pro Gewichtseinheit sehr gering verglichen mit Lithium-Ionen-Batterien. Darüber hinaus, wenn Lithiummetall für die Anode verwendet wird, gibt es technische Beschränkungen in Bezug auf Preiswettbewerbsfähigkeit und Anwendbarkeit im großen Maßstab.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Festkörperbatterie mit stark verbesserter Energiedichte pro Gewichtseinheit und Energiedichte pro Volumeneinheit bereitzustellen.
  • Die Ziele der vorliegenden Erfindung sind nicht auf das Vorangegangene beschränkt und werden aus der folgenden Beschreibung klar verstanden und mit Hilfe der in den Ansprüchen beschriebenen Mittel und Kombinationen daraus realisiert werden können.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Festkörperbatterie bereit, welche aufweist eine Anodenstromabnehmerschicht, eine poröse Schicht, welche auf wenigstens einer Fläche der Anodenstromabnehmerschicht bereitgestellt und konfiguriert ist, um ein dreidimensionales, vernetztes Gerüst aufzuweisen, um darin Poren auszubilden, eine fester-Elektrolyt-Schicht, welche an der porösen Schicht bereitgestellt ist, und eine Verbundkathodenschicht, welche an der fester-Elektrolyt-Schicht bereitgestellt ist, in welcher ein Keimmaterial an einer Grenzfläche zwischen der Anodenstromabnehmerschicht und der porösen Schicht und an einer Grenzfläche der porösen Schicht und der fester-Elektrolyt-Schicht bereitgestellt ist.
  • Die Anodenstromabnehmerschicht kann ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel und Kombinationen daraus aufweisen.
  • Die Anodenstromabnehmerschicht kann eine Porosität von weniger als 1% oder eine Dicke von 1 µm bis 20 µm haben.
  • Das Gerüst kann ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel und Kombinationen daraus aufweisen.
  • Die poröse Schicht kann eine Dicke von 1 µm bis 100 µm oder eine Porosität von 10% bis 99% haben.
  • Die poröse Schicht kann wenigstens eines ausgewählt aus einer ionischen Flüssigkeit, einem Bindemittel und einem festen Elektrolyten aufweisen, welche in die Poren geladen sind.
  • Die poröse Schicht kann eine Multischichtstruktur haben.
  • Die poröse Schicht mit der Multischichtstruktur kann so konfiguriert sein, dass eine Porengröße einer Schicht in Kontakt mit der Anodenstromabnehmerschicht größer ist als eine Porengröße einer Schicht in Kontakt mit der fester-Elektrolyt-Schicht.
  • Das Keimmaterial kann an einer Grenzfläche zwischen Schichten der porösen Schicht bereitgestellt sein.
  • Die Verbundkathodenschicht kann aufweisen eine aktives-Kathodenmaterial-Schicht, welche an der fester-Elektrolyt-Schicht bereitgestellt ist, und eine Kathodenstromabnehmerschicht, welche an der aktives-Kathodenmaterial-Schicht bereitgestellt ist.
  • Das Keimmaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithium (Li), Indium (In), Gold (Au), Bismuth (Bi), Zink (Zn), Aluminium (AI), Eisen (Fe), Zinn (Sn), Titan (Ti) und Kombinationen daraus.
  • Das Keimmaterial kann durch Abscheidung oder Beschichtung an wenigstens einer Fläche von wenigstens einer Schicht der Anodenstromabnehmerschicht und der porösen Schicht bereitgestellt sein.
  • Das Keimmaterial kann bereitgestellt sein, sodass die Grenzfläche nicht komplett bedeckt ist.
  • Das Keimmaterial kann an der Grenzfläche einheitlich verteilt sein, sodass 1% bis 50% eines Bereichs der Grenzfläche belegt sind.
  • Die Festkörperbatterie kann aufweisen eine 3-Elektroden-Zelle, welche so konfiguriert ist, dass die Verbundkathodenschicht, die fester-Elektrolyt-Schicht, die poröse Schicht, die Anodenstromabnehmerschicht, die poröse Schicht, die fester-Elektrolyt-Schicht und die Verbundkathodenschicht der Reihe nach gestapelt sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Energiedichte pro Gewichtseinheit der Festkörperbatterie und die Energiedichte pro Volumendichte davon stark verbessert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Festkörperbatterie kein anodenaktives Material, wie z.B. Graphit, etc., auf und dadurch kann die Lebensdauer davon signifikant erhöht werden, weil es keine Volumenausdehnung der Anode während des Ladens und Entladens gibt.
  • Die Effekte der vorliegenden Erfindung sind nicht auf das Vorangegangene beschränkt und sollten so verstanden werden, alle Effekte aufzuweisen, die von der folgenden Beschreibung angemessen erwartet werden können.
  • Figurenliste
    • 1A zeigt eine Festkörperbatterie gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 1B ist eine vergrößerte Ansicht einer Region A aus 1A,
    • 1C ist eine vergrößerte Ansicht einer Region B aus 1A,
    • 2 zeigt schematisch die poröse Schicht der Festkörperbatterie,
    • 3A zeigt eine Festkörperbatterie gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 3B ist eine vergrößerte Ansicht von Region C aus 3A,
    • 4 ist eine Draufsicht, welche eine Anodenstromabnehmerschicht und ein Keimmaterial, welches auf der Fläche davon ausgebildet ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
    • 5 zeigt eine Festkörperbatterie gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 6 zeigt eine Festkörperbatterie gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den folgenden bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit den begleitenden Figuren klarer verstanden werden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedene Formen modifiziert werden. Diese Ausführungsformen sind bereitgestellt, um die Erfindung einem Fachmann ausführlich zu erklären.
  • Über die Figuren hinweg betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Elemente. Aus Gründen der Klarheit der vorliegenden Erfindung sind die Dimensionen von Strukturen größer dargestellt als die wirklichen Größen davon. Es wird verstanden werden, dass, obwohl Begriffe, wie z.B. „erste/-r/-s“, „zweite/-r/-s“, etc., hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, wobei diese Elemente nicht durch diese Begriffe beschränkt werden sollen. Diese Begriffe werden nur dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein „erstes“ Element, welches unten besprochen ist, als ein „zweites“ Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ähnlich könnte das „zweite“ Element auch als ein „erstes“ Element bezeichnet werden. Wie hierin verwendet sollen die Singular-Formen auch die Plural-Formen aufweisen, sofern nichts anderes aus dem Kontext hervorgeht.
  • Es wird weiterhin verstanden werden, dass die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „haben“, etc., wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen daraus angeben, aber nicht die Anwesenheit oder das Zufügen von einem/r oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen daraus ausschließen. Auch wird verstanden werden, dass, wenn ein Element, wie z.B. eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder eine Platte als „auf“ einem anderen Element beschrieben wird, es direkt auf dem anderen Element sein kann oder, dass dazwischenliegende Elemente anwesend sein können. Ähnlich, wenn ein Element, wie z.B. eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder eine Platte als „unter“ einem anderen Element beschrieben werden, es direkt unter dem anderen Element sein kann oder dazwischenliegende Elemente anwesend sein können.
  • Wenn nicht anders angegeben sollen alle Zahlen, Werte und/oder Darstellungen, welche die hierin verwendeten Mengen von Komponenten, Reaktionsbedingungen, Polymerzusammensetzungen und Mischungen ausdrücken, als Näherungen angenommen werden sollen, welche verschiedene die Messungen beeinflussenden Ungenauigkeiten aufweisen, die unter anderem wesentlich beim Erhalten dieser Werte auftreten, und sollten deshalb verstanden werden, mit dem Begriff „etwa“ bzw. „in etwa“ in allen Fällen modifiziert zu sein. Darüber hinaus, wenn ein Zahlenwert in dieser Beschreibung offenbart ist, ist der Bereich kontinuierlich und weist alle Werte vom Minimalwert des besagten Bereichs bis zum Maximalwert davon auf, sofern nicht anders angegeben. Weiterhin, wenn solch ein Bereich zu ganzzahligen Werten gehört, sind alle ganzen Zahlen vom Minimalwert bis zum Maximalwert aufgewiesen, wenn nicht anders angegeben.
  • Eine Anode, welche in einer konventionellen Festkörperbatterie bereitgestellt ist, weist ein aktives Anodenmaterial, wie z.B. Graphit, etc., auf. Auch ist ein Überschuss an festem Elektrolyt damit zugefügt, um lonenleitfähigkeit in der Anode zu sichern. Demzufolge kann das Volumen und Gewicht der Anode zunehmen, wodurch die Energiedichte davon unerwünschterweise gesenkt wird.
  • Darüber hinaus erhöht Graphit, welches das aktive Anodenmaterial ist, den Bereich der Volumenexpansion und des Volumenschwunds während des Ladens und Entladens von Batterien, und deshalb können Kurzschlüsse in der Anode auftreten und Widerstand kann zunehmen, wodurch die Lebensdauer von Batterien unerwünschterweise verringert wird.
  • Währenddessen kann Lithiummetall als die Anode für die Festkörperbatterie verwendet werden und Lithiummetall ist teuer und hat eine langsame Reaktionsrate. Auch können Probleme, wie z.B. Kurzschlüsse aufgrund des Wachsens von Dendriten und Schwierigkeiten beim Realisieren eines großen Bereichs, auftreten.
  • Demnach wurde die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der obigen konventionellen Probleme gemacht und die vorliegende Erfindung ist unten im Detail beschrieben.
  • 1A zeigt eine Festkörperbatterie 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug darauf kann die Festkörperbatterie 1 eine Anodenstromabnehmerschicht 10, eine poröse Schicht 20, welche an wenigstens einer Fläche der Anodenstromabnehmerschicht 10 bereitgestellt ist, eine fester-Elektrolyt-Schicht 30, welche an der porösen Schicht bereitgestellt ist, und eine Verbundkathodenschicht 40, welche an der fester-Elektrolyt-Schicht bereitgestellt ist, aufweisen.
  • Die Anodenstromabnehmerschicht 10 kann eine Art plattenförmiges Substrat sein.
  • Die Anodenstromabnehmerschicht 10 kann ein dünner Metallfilm sein, welcher ein Metall aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und Kombinationen daraus. Genauer kann die Anodenstromabnehmerschicht 10 ein dünner Metallfilm mit hoher Dichte sein, welcher eine Porosität von weniger als 1% hat.
  • Die Anodenstromabnehmerschicht 10 kann eine Dicke von 1 µm bis 20 µm und insbesondere 5 µm bis 15 µm haben.
  • 2 zeigt schematisch die poröse Schicht 20 der Festkörperbatterie 1. Die poröse Schicht 20 ist eine Schicht, welche darin Poren 22 zum Lagern von Lithium aufweist, welches sich während des Ladens der Festkörperbatterie 1 ablagert, und kann ein dreidimensionales, vernetztes Gerüst 21 aufweisen, um die Poren 22 darin auszubilden.
  • Das Gerüst 21 ist das Skelett der porösen Schicht 20 und kann ein Metall aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer (Cu), Nickel (Ni) und Kombinationen daraus.
  • Wie in 2 gezeigt, weist die poröse Schicht 20 eine erste Fläche a in Kontakt mit der Anodenstromabnehmerschicht 10 und eine zweite Fläche b in Kontakt mit der fester-Elektrolyt-Schicht 30 auf. Hier können die Poren 22 uneinheitlich in der Dickenrichtung der porösen Schicht 20 verteilt sein, sodass die Poren 22a, die in der ersten Fläche a positioniert sind, größer als die Poren 22b sind, die in der zweiten Fläche b positioniert sind. Als solche bedeutet uneinheitliche Verteilung der Poren 22, dass die Poren 22 mit unterschiedlichen Durchmessern in der Dickenrichtung der porösen Schicht 20 verteilt sind, was verschieden ausgeführt werden kann. Zum Beispiel kann die Größe der Poren 22 graduell von der zweiten Fläche b zur ersten Fläche a zunehmen oder die Größe der Poren 22b in der zweiten Fläche b kann aufrechterhalten sein bis zu einer vorbestimmten Dicke und kann dann schrittweise zunehmen, wenn die erste Fläche a erreicht wird.
  • Wenn die Größe der Poren 22a, welche in der ersten Fläche positioniert sind, auf diese Weise größer ist, kann Lithium, das sich während des Ladens der Festkörperbatterie 1 ablagert, in einer größeren Menge in der ersten Fläche a gespeichert werden, insbesondere in der Anodenstromabnehmerschicht 10. Weil das Lithium mit dem großen Bereich der Anodenstromabnehmerschicht 10 in Kontakt kommt, kann das Lithium leichter in Lithium-Ionen umgewandelt werden während des Entladens der Festkörperbatterie, wodurch Lade-Entlade-Effizienz erhöht wird.
  • Der Durchschnittsdurchmesser der Poren 22 ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel 0,01 µm bis 5 µm betragen. Hier kann der Durchschnittsdurchmesser der Poren 22 den Durchschnittsdurchmesser der Poren 22 bedeuten, den die gesamte poröse Schicht 20 aufweist. Wie oben beschrieben, wenn die Poren uneinheitlich in der Dickenrichtung der porösen Schicht 20 verteilt sind, kann der Durchschnittsdurchmesser davon einen Durchschnittsdurchmesser der Poren 22 angeben, der innerhalb eines angemessenen Dickebereichs fällt.
  • Die poröse Schicht 20 kann eine Dicke von 1 µm bis 100 µm haben und eine Porosität von 10% bis 99%. Wenn die Dicke und die Porosität der porösen Schicht 20 in die obigen Bereiche fallen, kann die Energiedichte der Festkörperbatterie stark verbessert werden.
  • Die poröse Schicht 20 kann weiterhin eines aufweisen ausgewählt aus einer ionischen Flüssigkeit (nicht gezeigt), einem Bindemittel (nicht gezeigt) und einem festen Elektrolyten (nicht gezeigt), welche in die Poren 22 geladen sind.
  • Die ionische Flüssigkeit und der feste Elektrolyt können für die Bewegung von Lithium-Ionen in der porösen Schicht 20 verantwortlich sein und das Bindemittel kann eine Art von Haftmaterial sein, welches Komponenten der porösen Schicht 20 vernetzt.
  • Die Menge von jedem der ionischen Flüssigkeit, des festen Elektrolyten und des Bindemittels ist nicht besonders beschränkt und kann, wenn gewünscht, angemessen angepasst werden.
  • Die ionische Flüssigkeit ist nicht besonders beschränkt, aber kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Imidazolium-basierten, Ammonium-basierten, Pyrrolidinium-basierten, Pyridinium-basierten und Phosphonium-basierten ionischen Flüssigkeiten und Kombinationen daraus.
  • Der feste Elektrolyt kann ein Oxid-basierter, fester Elektrolyt oder ein Sulfidbasierter, fester Elektrolyt sein. Hier ist die Verwendung eines Sulfid-basierten, festen Elektrolyten mit hoher Lithium-Ionen-Leitfähigkeit bevorzugt. Der Sulfid-basierte, feste Elektrolyt ist nicht besonders beschränkt, aber kann aufweisen Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-Lil, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-Lil, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-Lil, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-Lil, Li2S-SiS2-P2S5-Lil, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn (in welchem m und n positive Zahlen sind und Z eines ist aus Ge, Zn und Ga), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy (in welchem x und y positive Zahlen sind und M eines ist aus P, Si, Ge, B, AI, Ga und In), Li10GeP2S12, etc. Der Oxid-basierte, feste Elektrolyt kann aufweisen einen Granat-artigen, festen Elektrolyten, einen NASICON (z.B. Natrium-Superionenleiter)-artigen, festen Elektrolyten, einen LISICON (z.B. Lithium-Superionenleiter)-artigen, festen Elektrolyten, einen Perowskit-artigen, festen Elektrolyten, etc.
  • Das Bindemittel ist nicht besonders beschränkt, aber kann aufweisen BR (Butadien-Kautschuk), NBR (Nitrilbutadien-Kautschuk), HNBR (hydrierter Nitrilbutadien-Kautschuk), PVDF (Polyvinylidendifluorid), PTFE (Polytetrafluorethylen), CMC (Carboxymethylcellulose), etc.
  • 3A zeigt eine Festkörperbatterie 1 gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug darauf kann die poröse Schicht 20 eine Multischichtstruktur 20', 20", 20''' haben.
  • Wenn die poröse Schicht 20 eine Monoschichtstruktur hat, muss die Dicke der porösen Schicht 20 nicht einheitlich sein und Lithium kann uneinheitlich in der porösen Schicht 20 gespeichert sein. Deshalb können die obigen Probleme mittels Ausbildens der porösen Schicht 20 mit einer Multischichtstruktur 20', 20", 20''' davon abgehalten werden, aufzutreten.
  • Die poröse Schicht 20 kann so konfiguriert sein, dass die Porengröße der Schicht 20' in Kontakt mit der Anodenstromabnehmerschicht 10 größer ist als die Porengröße der Schicht 20''' in Kontakt mit der fester-Elektrolyt-Schicht 30. Wenn die Multischichtstruktur der porösen Schicht 20 wie oben ausgebildet ist, kann Lithium, das sich während des Ladens der Festkörperbatterie 1 ablagert, in einer größeren Menge der Anodenstromabnehmerschicht 10 gespeichert werden. Weil das Lithium mit dem großen Bereich der Anodenstromabnehmerschicht 10 in Kontakt kommt, kann das Lithium einfacher in Lithium-Ionen umgewandelt werden während des Entladens der Festkörperbatterie, wodurch die Lade-Entlade-Effizienz erhöht wird.
  • 3B ist eine vergrößerte Ansicht von Region C aus 3A. Mit Bezug darauf kann ein Keimmaterial 50 an Grenzflächen zwischen den Schichten 20', 20", 20''' der porösen Schicht 20 bereitgestellt sein. Demnach kann Lithium auch in der porösen Schicht 20 abgelagert sein, was später beschrieben ist.
  • Die fester-Elektrolyt-Schicht 30 ist zwischen der porösen Schicht 20 und der Verbundkathodenschicht 40 eingefügt, sodass sich Lithium-Ionen zwischen den zwei Schichten bewegen können.
  • Die fester-Elektrolyt-Schicht 30 kann einen Oxid-basierten, festen Elektrolyten oder einen Sulfid-basierten, festen Elektrolyten aufweisen. Hier ist die Verwendung eines Sulfid-basierten, festen Elektrolyten mit hoher Lithium-Ionen-Leitfähigkeit bevorzugt. Der Sulfid-basierte, feste Elektrolyt ist nicht besonders beschränkt, aber kann aufweisen Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-Lil, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-Lil, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-Lil, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-Lil, Li2S-SiS2-P2S5-Lil, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn(in welchem m und n positive Zahlen sind und Z eines ist aus Ge, Zn und Ga), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy (in welchem x und y positive Zahlen sind und M eines ist aus P, Si, Ge, B, AI, Ga und In), Li10GeP2S12, etc. Der Oxid-basierte, feste Elektrolyt kann aufweisen einen Granat-artigen, festen Elektrolyten, einen NASICON-artigen, festen Elektrolyten, einen LISICON-artigen, festen Elektrolyten, einen Perowskit-artigen, festen Elektrolyten, etc.
  • Die Verbundkathodenschicht 40 kann aufweisen eine aktives-Kathodenmaterial-Schicht 41, welche an der fester-Elektrolyt-Schicht 30 bereitgestellt ist, und eine Kathodenstromabnehmerschicht 42, welche an der aktives-Kathodenmaterial-Schicht 41 bereitgestellt ist.
  • Die aktives-Kathodenmaterial-Schicht 41 kann ein aktives Kathodenmaterial, einen festen Elektrolyten, ein leitfähiges Material, ein Bindemittel, etc. aufweisen.
  • Das aktive Kathodenmaterial kann ein aktives Oxidmaterial oder ein aktives Sulfidmaterial sein.
  • Das aktive Oxidmaterial kann ein Steinsalz-artiges, aktive Material sein, wie z.B. LiCoO2, LiMnO2, LiNiO2, LiVO2, L11+xNi1/3Co1/3Mn11/3O2 und dergleichen, ein Spinell-artiges, aktives Material, wie z.B. LiMn2O4, Li(Ni0.5Mn1.5)O4 und dergleichen, ein inverses-Spinell-artiges, aktives Material, wie z.B. LiNiVO4, LiCoVO4 und dergleichen, ein Olivin-artiges, aktives Material, wie z.B. LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4, LiNiPO4 und dergleichen, ein Siliciumenthaltendes, aktives Material, wie z.B. Li2FeSiO4, Li2MnSiO und dergleichen, ein Steinsalzschicht-artiges, aktives Material, in welchem ein Teil eines Übergangsmetalls mit einem anderen Metall substituiert ist, wie z.B. LiNi0.8Co(0.2-x)AlxO2 (0<x<0.2), ein Spinell-artiges, aktives Material, in welchem ein Teil eines Übergangsmetalls mit einem anderen Metall substituiert ist, wie z.B. Li1+XMn2-x-yMyO4 (wobei M wenigstens eines ist aus AI, Mg, Co, Fe, Ni und Zn, 0<x+y<2), oder Lithiumtitanat, wie z.B. Li4Ti5O12 und dergleichen.
  • Das Sulfid-aktive Material kann Kupfer-Chevrel, Eisensulfid, Kobaltsulfid, Nickelsulfid, etc. sein.
  • Der feste Elektrolyt kann ein Oxid-basierter, fester Elektrolyt oder ein Sulfidbasierter, fester Elektrolyt sein. Hier ist die Verwendung eines Sulfid-basierten, festen Elektrolyten mit hoher Lithium-Ionen-Leitfähigkeit bevorzugt. Der Sulfid-basierte, feste Elektrolyt ist nicht besonders beschränkt, aber kann aufweisen Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-Lil, Li2S-P2S5-LiCl, Li2S-P2S5-LiBr, Li2S-P2S5-Li2O, Li2S-P2S5-Li2O-Lil, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-Lil, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-Lil, Li2S-SiS2-P2S5-Lil, Li2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn (in welchem m und n positive Zahlen sind und Z eines ist aus Ge, Zn und Ga), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy (in welchem x und y positive Zahlen sind und M eines ist aus P, Si, Ge, B, AI, Ga und In), Li10GeP2S12, etc. Der Oxid-basierte Elektrolyt kann aufweisen einen Granat-artigen, festen Elektrolyten, einen NASICON-artigen, festen Elektrolyten, einen LISICON-artigen, festen Elektrolyten, einen Perowskit-artigen, festen Elektrolyten, etc. Der feste Elektrolyt kann der gleiche oder anders sein als der feste Elektrolyt, den die fester-Elektrolyt-Schicht 30 aufweist.
  • Das leitfähige Material kann Ruß, leitfähiges Graphit, Ethylen-Ruß, Graphen, etc. sein.
  • Das Bindemittel kann aufweisen BR (Butadien-Kautschuk), NBR (Nitrilbutadien-Kautschuk), HNBR (hydrierter Nitrilbutadien-Kautschuk), PVDF (Polyvinylidendifluorid), PTFE (Polytetrafluorethylen), CMC (Carboxymethylcellulose), etc. und kann das gleiche oder anders sein als das Bindemittel, das die poröse Schicht 20 aufweist.
  • Die Kathodenstromabnehmerschicht 42 kann eine Aluminiumfolie oder dergleichen sein.
  • 1B ist eine vergrößerte Ansicht von Region A aus 1A und 1C ist eine vergrößerte Ansicht von Region B aus 1A. Mit Bezug darauf kann die Festkörperbatterie 1 so konfiguriert sein, dass das Keimmaterial 50 an der Grenzfläche zwischen der Anodenstromabnehmerschicht 10 und der porösen Schicht 20 und an der Grenzfläche zwischen der porösen Schicht 20 und der festen Elektrolytschicht 30 bereitgestellt ist.
  • Mit Bezug auf 3B, wenn die Festkörperbatterie die poröse Schicht 20 mit der Multischichtstruktur aufweist, kann das Keimmaterial 50 an Grenzflächen zwischen den Schichten 20', 20", 20''' der porösen Schicht zusätzlich zu den obigen Grenzflächen bereitgestellt sein.
  • Das Keimmaterial 50 fungiert als eine Art Keim für die Lithium-Ionen, welche sich zur porösen Schicht 20 während des Ladens der Festkörperbatterie 1 bewegen. Wenn die Festkörperbatterie 1 geladen wird, wachsen die Lithium-Ionen in Lithium um das Keimmaterial 50.
  • Das Keimmaterial 50 kann ein Metallelement aufweisen, das mit Lithium legiert ist. Insbesondere kann es ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithium (Li), Indium (In), Gold (Au), Bismuth (Bi), Zink (Zn), Aluminium (AI), Eisen (Fe), Zinn (Sn), Titan (Ti) und Kombinationen daraus.
  • 4 ist eine Draufsicht, welche eine Anodenstromabnehmerschicht 10 und ein Keimmaterial 50, welches an der Fläche davon ausgebildet ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Keimmaterial 50 kann durch Ablagerung oder Beschichtung in einer vorbestimmten Form an wenigstens einer Fläche von wenigstens einer Schicht der Anodenstromabnehmerschicht 10 und der porösen Schicht 20 bereitgestellt sein.
  • Besondere Ausführungsformen zum Ausbilden des Keimmaterials 50 sind nicht besonders beschränkt. Das Keimmaterial 50 kann an der Fläche einer angemessenen Schicht ausgebildet sein, sodass das Keimmaterial 50 an Positionen ausgebildet sein kann, die in 1B, 1C und 3B gezeigt sind.
  • Der Vorgang zum Ausbilden des Keimmaterials 50 ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann ein Dampfablagerungsvorgang, wie z.B. physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), oder ein Beschichtungsvorgang, wie z.B. Siebdruck, Gravurbeschichtung, Tintenstrahlbeschichtung oder dergleichen, durchgeführt werden.
  • Das Keimmaterial 50 kann bereitgestellt sein, sodass die oben beschriebenen Grenzflächen nicht komplett bedeckt sind. Das heißt, das Keimmaterial 50 bildet nicht eine Reihe von Schichten aus. Dadurch wird das Keimmaterial 50 daran gehindert, als Widerstand in der Festkörperbatterie 1 zu agieren. Insbesondere ist das Keimmaterial 50 einheitlich auf der oben beschriebenen Grenzfläche verteilt, kann aber so bereitgestellt sein, dass es 1% bis 50% des Bereichs der Grenzfläche belegt.
  • 5 zeigt eine Festkörperbatterie 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug darauf kann die Festkörperbatterie 1 eine 3-Elektroden-Zelle aufweisen, die so konfiguriert ist, dass eine Verbundkathodenschicht 40, eine fester-Elektrolyt-Schicht 30, eine poröse Schicht 20, eine Anodenstromabnehmerschicht 10, eine poröse Schicht 20, eine fester-Elektrolytschicht 30 und eine Verbundkathodenschicht 40 der Reihe nach gestapelt sind. Weil der bestimmte Inhalt jeder Schicht im Wesentlichen der gleiche ist wie der der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, wird er unten ausgelassen.
  • 6 zeigt eine Festkörperbatterie 1 gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug darauf kann die poröse Schicht 20 eine Multischichtstruktur 20', 20", 20''' haben. Weil der bestimmte Inhalt von jeder Schicht im Wesentlichen der gleiche ist wie der der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, wird er unten weggelassen.
  • Um die Energiedichte pro Gewichtseinheit der Festkörperbatterie und die Energiedichte pro Volumeneinheit davon zu erhöhen, stellt die vorliegende Erfindung eine Art anodenlose Festkörperbatterie bereit, die so konfiguriert ist, dass eine poröse Schicht 20 an einer Anodenstromabnehmerschicht 10 bereitgestellt ist, ohne die Verwendung einer Anode, die ein aktives Anodenmaterial wie in einer konventionellen Festkörperbatterie aufweist.
  • Insbesondere, wenn die poröse Schicht 20 mit hoher Porosität in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann die Energiedichte auf 400 Wh/kg (800 Wh/I) oder mehr stark erhöht werden, was ungefähr das Doppelte ist wie die einer konventionellen Lithium-Ionen-Batterie.
  • Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben sind, wird ein Fachmann verstehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen bestimmten Formen ausgeführt sein kann, ohne dass die essentiellen Merkmale davon geändert werden. Deshalb sollten die oben beschriebenen Ausführungsformen als in jeder Hinsicht nicht-beschränkend und veranschaulichend verstanden werden.

Claims (17)

  1. Festkörperbatterie (1), aufweisend: eine Anodenstromabnehmerschicht (10), eine poröse Schicht (20), welche an wenigstens einer Fläche der Anodenstromabnehmerschicht (10) bereitgestellt ist und konfiguriert ist, um ein dreidimensionales, vernetztes Gerüst (21) aufzuweisen, sodass Poren (22) darin ausgebildet sind, eine fester-Elektrolyt-Schicht (30), welche an der porösen Schicht (20) bereitgestellt ist, und eine Verbundkathodenschicht (40), welche an der fester-Elektrolyt-Schicht (30) bereitgestellt ist, wobei ein Keimmaterial (50) an einer Grenzfläche zwischen der Anodenstromabnehmerschicht (10) und der porösen Schicht (20) und an einer Grenzfläche zwischen der porösen Schicht (20) und der fester-Elektrolyt-Schicht (30) bereitgestellt ist.
  2. Festkörperbatterie (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Anodenstromabnehmerschicht (10) ein dünner Metallfilm ist, der ein Metall aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel und Kombinationen daraus.
  3. Festkörperbatterie (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Anodenstromabnehmerschicht (10) eine Porosität von weniger als 1% hat.
  4. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anodenstromabnehmerschicht (10) eine Dicke von 1 µm bis 20 µm hat.
  5. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gerüst (21) ein Metall aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel und Kombinationen daraus.
  6. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die poröse Schicht (20) eine Dicke von 1 µm bis 100 µm hat.
  7. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die poröse Schicht (20) eine Porosität von 10% bis 99% hat.
  8. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die poröse Schicht (20) weiterhin wenigstens eines aufweist ausgewählt aus einer ionischen Flüssigkeit, einem Bindemittel und einem festen Elektrolyten, welche in die Poren (22) geladen sind.
  9. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die poröse Schicht (20) eine Multischichtstruktur (20', 20", 20''') hat.
  10. Festkörperbatterie (1) gemäß Anspruch 9, wobei die poröse Schicht (20) mit der Multischichtstruktur (20', 20", 20''') so konfiguriert ist, dass eine Porengröße einer Schicht (20') in Kontakt mit der Anodenstromabnehmerschicht (10) größer ist als eine Porengröße einer Schicht (20''') in Kontakt mit der fester-Elektrolyt-Schicht (30).
  11. Festkörperbatterie (1) gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das Keimmaterial (50) an einer Grenzfläche zwischen Schichten (20', 20", 20''') der porösen Schicht (20) bereitgestellt ist.
  12. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Verbundkathodenschicht (40) aufweist eine aktives-Kathodenmaterial-Schicht (41), die an der fester-Elektrolyt-Schicht (30) bereitgestellt ist, und eine Kathodenstromabnehmerschicht (42), die an der aktives-Kathodenmaterial-Schicht (41) bereitgestellt ist.
  13. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Keimmaterial (50) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium (Li), Indium (In), Gold (Au), Bismuth (Bi), Zink (Zn), Aluminium (AI), Eisen (Fe), Zinn (Sn), Titan (Ti) und Kombinationen daraus.
  14. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Keimmaterial (50) bereitgestellt ist durch Ablagerung oder Beschichtung an wenigstens einer Fläche von wenigstens einer Schicht der Anodenstromabnehmerschicht (10) und der porösen Schicht (20).
  15. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Keimmaterial (50) bereitgestellt ist, sodass die Grenzfläche nicht komplett bedeckt ist.
  16. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Keimmaterial (50) einheitlich an der Grenzfläche verteilt ist, sodass 1% bis 50% eines Bereichs der Grenzfläche belegt sind.
  17. Festkörperbatterie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, welche eine 3-Elektroden-Zelle aufweist, die so konfiguriert ist, dass die Verbundkathodenschicht (40), die fester-Elektrolyt-Schicht (30), die poröse-Schicht (20), die Anodenstromabnehmerschicht (10), die poröse Schicht (20), die fester-Elektrolyt-Schicht (30) und die Verbundkathodenschicht (40) der Reihe nach gestapelt sind.
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