DE102020131531A1 - Verfahren zum lithiieren von metallanoden unter verwendung von elektrolyten - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle vorgesehen, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren umfasst das Lithiieren eines elektroaktiven Materials unter Verwendung eines ersten Elektrolyten und das Kontaktieren des lithiierten elektroaktiven Materials und eines zweiten Elektrolyten zur Bildung der elektrochemischen Zelle. Das Lithiieren des elektroaktiven Materials umfasst das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und eines ersten Elektrolyten, um ein vorbehandeltes elektroaktives Material zu bilden, das Kontaktieren einer Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und das Ausüben eines Drucks auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material, um ein lithiiertes elektroaktives Material zu bilden. Der erste Elektrolyt umfasst größer oder gleich ca. 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ca. 50 Gew.-% eines oder mehrerer ausgewählter Lösungsmittel, die z.B. Fluorethylencarbonat (FEC) umfassen. Der zweite Elektrolyt umfasst kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% zyklische Carbonate und bei bestimmten Aspekten einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe.

Description

  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf elektroaktive Materialien und Elektrolyte zur Verwendung in Elektroden von elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen und Verfahren zu deren Herstellung, z.B. Verfahren zum Lithiieren elektroaktiver Materialien, wie Metallanoden, unter Verwendung von Elektrolytformulierungen und Zusatzstoffen für Elektrolyte, die in elektrochemischen Zellen verwendet werden, die die lithiierte Metallanode umfassen.
  • Es besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukte wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybridelektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Batterien umfassen mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyt und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode dient als negative Elektrode oder Anode. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten, und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. Im Fall von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyt enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
  • Herkömmliche wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversierbar zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Solche Lithium-Ionen-Batterien können bei Bedarf reversierbar Strom an eine zugehörige Lastvorrichtung liefern. Insbesondere kann eine Lastvorrichtung von der Lithium-Ionen-Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode effektiv erschöpft ist. Die Batterie kann dann wieder aufgeladen werden, indem ein geeigneter elektrischer Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden geleitet wird.
  • Während der Entladung kann die negative Elektrode eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Lithiumionen können von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode wandern, z.B. durch die ionisch leitende Elektrolytlösung, die in den Poren eines zwischengeschalteten porösen Separators enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode assimiliert werden. Die Batterie kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfinden, umgekehrt werden.
  • In verschiedenen Fällen jedoch, insbesondere im Falle elektroaktiver Materialien, darunter z.B. Silicium, das die höchste bekannte theoretische Ladekapazität besitzt und damit eines der vielversprechendsten Materialien für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien ist, aber eine übermäßige volumetrische Ausdehnung und Kontraktion (z.B. 300%) während des aufeinanderfolgenden Ladens und Entladens erfährt, verbleibt ein Teil des eingelagerten Lithiums nach dem ersten Zyklus an der negativen Elektrode, z.B. aufgrund der Bildung von LixSiyOz und/oder einer Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf der negativen Elektrode während des ersten Zyklus, sowie aufgrund eines anhaltenden Lithiumverlusts wegen eines kontinuierlichen Bruchs der Festkörperelektrolyt-Zwischenphase. Ein solcher dauerhafter Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie führen, die aus der zusätzlichen Masse der positiven Elektrode resultiert, die nicht am reversierbaren Betrieb der Batterie teilnimmt. Zum Beispiel kann die Lithium-Ionen-Batterie nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von größer oder gleich ungefähr 5% bis kleiner oder gleich ungefähr 30% erfahren.
  • Eine Lithiierung, zum Beispiel eine Vorlithiierung, kann solche Kapazitätsverluste ausgleichen. Gängige Lithiierungsverfahren, wie elektrochemische Verfahren und Laminierungsverfahren, erfordern jedoch eine Halbzellenherstellung bzw. Abriss- und/oder Niedrigertragsprozesse, die zeitaufwändig und oft unerschwinglich sind. Bei diesen Prozessen entstehen häufig auch nicht verarbeitbare Materialien, z.B. Anoden mit unerwünschten Dicken. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte elektroaktive und Elektrodenmaterialien und Verfahren zu deren Herstellung für eine elektrochemische Zelle zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenlegung ein Verfahren zum Lithiieren eines elektroaktiven Materials vor. Das Verfahren umfasst das Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten, um ein vorbehandeltes elektroaktives Material zu bilden, das Kontaktieren einer Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und das Ausüben von Druck auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material, um ein lithiiertes elektroaktives Material zu bilden.
  • Bei einem Aspekt können das Kontaktieren der Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und das Ausüben von Druck auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material gleichzeitig erfolgen.
  • Bei einem Aspekt kann das Verfahren ein kontinuierlicher Prozess sein, der zumindest teilweise auf einem Rollensystem mit einer Vielzahl von Rollen durchgeführt wird. Zwei oder mehr Rollen aus der Vielzahl von Rollen können dazu ausgelegt sein, den ausübenden Druck zu der Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material zu leiten.
  • Bei einem Aspekt kann die Vielzahl von Rollen ferner mindestens eine zusätzliche Rolle umfassen, die zumindest teilweise im Elektrolyt angeordnet ist. Die mindestens eine zusätzliche Rolle kann dazu ausgelegt sein, das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und des Elektrolyten durchzuführen, um das vorbehandelte elektroaktive Material zu bilden, bevor es auf die zwei oder mehr Rollen trifft.
  • Bei einem Aspekt umfasst das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und des Elektrolyten ferner das Aufsprühen des Elektrolyten auf eine oder mehrere Oberflächen des elektroaktiven Materials, um das vorbehandelte elektroaktive Material zu bilden.
  • Bei einem Aspekt können die zwei oder mehr Rollen aus der Vielzahl von Rollen entweder mit der Lithiumquelle beschichtet oder aus der Lithiumquelle gebildet sein.
  • Bei einem Aspekt kann der ausgeübte Druck größer oder gleich ungefähr 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi sein.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 M eines oder mehrerer Lithiumsalze und größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.% eines oder mehrerer Lösungsmittel umfassen. Das eine oder die mehreren Lithiumsalze können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht. Das eine oder die mehreren Lösungsmittel können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei einem Aspekt können zwei oder mehr der Rollen aus der Vielzahl von Rollen dazu ausgelegt sein, den Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material auszuüben. Das elektroaktive Material kann ein Metallfilm sein. Der Metallfilm kann Aluminium (AI), Magnesium (Mg), Zinn (Sn), Indium (In), Silicium (Si) und/oder Siliciumoxid (SiOx, wobei 0 ≤ x ≤ 2) umfassen. Die Lithiumquelle kann Lithiummetall umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann der Elektrolyt ein erster Elektrolyt sein, und das Verfahren kann ferner das Einbringen des lithiierten elektroaktiven Materials in eine elektrochemische Zelle umfassen, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann einen zweiten Elektrolyt mit kleiner oder gleich ungefähr 5% zyklischen Karbonaten umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann der zweite Elektrolyt einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Folgendem besteht:
    Figure DE102020131531A1_0001
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, Ch2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0002
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0003
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0004
    wobei mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander aus Wasserstoff (H), Fluor (F), Chlorid (CI), Bromid (Br), Iodid (I), Cyanid (CN), Stickstoffdioxid (NO2), Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl, Heterocyclyl, Heteroaryl, Heteroaralkyl und Fluoralkyl ausgewählt ist und mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 Fluor (F), Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS), N,N, 1,1,1-Pentamethylsilanamin und Kombinationen davon umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann der zweite Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Elektrolytzusatzstoffe umfassen.
  • Bei einem Aspekt können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Fluorethylencarbonat (FEC), 4,5-Difluor-1,3-dioxolan-2-on (DFEC), 1,3,2-Dioxathiolan-2,2-dioxid (DTD) und/oder Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS) umfassen.
  • Bei verschiedenen anderen Aspekten sieht die vorliegende Offenlegung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, vor. Das Verfahren umfasst das Einbringen eines lithiierten elektroaktiven Materials als negative Elektrode in die elektrochemische Zelle. Das lithiierte elektroaktive Material kann durch einen Prozess gebildet werden, der das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und eines ersten Elektrolyten, um ein vorbehandeltes elektroaktives Material zu bilden, das Kontaktieren einer Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und das Ausüben eines Drucks auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material umfasst, um ein lithiiertes elektroaktives Material zu bilden. Das lithiierte elektroaktive Material in der elektrochemischen Zelle kann in Kontakt mit einem zweiten Elektrolyt stehen.
  • Bei einem Aspekt kann der erste Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 M eines oder mehrerer Lithiumsalze und größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines oder mehrerer Lösungsmittel umfassen. Das eine oder die mehreren Lithiumsalze können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht. Das eine oder die mehreren Lösungsmittel können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei einem Aspekt kann der zweite Elektrolyt kleiner oder gleich ungefähr 5% zyklische Carbonate umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann der zweite Elektrolyt einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Folgendem besteht:
    Figure DE102020131531A1_0005
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0006
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, Ch2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0007
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0008
    wobei mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander aus Wasserstoff (H), Fluor (F), Chlorid (CI), Bromid (Br), Iodid (I), Cyanid (CN), Stickstoffdioxid (NO2), Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl, Heterocyclyl, Heteroaryl, Heteroaralkyl und Fluoralkyl ausgewählt ist und mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 Fluor (F), Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS), N,N, 1,1,1-Pentamethylsilanamin und Kombinationen davon umfasst.
  • Bei einem Aspekt kann der zweite Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Elektrolytzusatzstoffe umfassen.
  • Bei einem Aspekt kann das Verfahren ein kontinuierlicher Prozess sein, der zumindest teilweise auf einem Rollensystem mit einer Vielzahl von Rollen durchgeführt wird. Zwei oder mehr Rollen aus der Vielzahl von Rollen können dazu ausgelegt sein, den ausübenden Druck zu der Lithiumquelle und dem vorbehandelten elektroaktiven Material zu leiten. Der ausgeübte Druck kann größer oder gleich ungefähr 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi sein.
  • Bei einem Aspekt kann die Vielzahl von Rollen ferner mindestens eine zusätzliche Rolle umfassen, die zumindest teilweise innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist, so dass die mindestens eine zusätzliche Rolle dazu ausgelegt ist, das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und des Elektrolyten durchzuführen, um das vorbehandelte elektroaktive Material zu bilden, bevor es auf die zwei oder mehr Rollen trifft.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Umsetzungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 zeigt eine beispielhafte elektrochemische Batterie, die Lithiumionen zyklisiert, in einer schematischen Darstellung.
    • 2 zeigt ein Beispiel für ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren zum Lithiieren eines elektroaktiven Materials in einer schematischen Darstellung.
    • 3 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren zum Lithiieren eines elektroaktiven Materials in einer schematischen Darstellung.
    • 4 zeigt ein Beispiel eines Direktdruckverfahrens zum Lithiieren eines elektroaktiven Materials in einer schematischen Darstellung.
    • 5A zeigt die Kapazitätserhaltung pro Zyklus von elektrochemischen Vergleichszellen in einer grafischen Veranschaulichung.
    • 5B zeigt die Kapazitätserhaltung pro Zyklus von anderen elektrochemischen Vergleichszellen in einer grafischen Veranschaulichung.
    • 5C zeigt die Kapazitätserhaltung pro Zyklus von weiteren elektrochemischen Vergleichszellen in einer grafischen Veranschaulichung.
    • 5D zeigt die Kapazitätserhaltung pro Zyklus von noch anderen elektrochemischen Vergleichszellen in einer grafischen Veranschaulichung.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es sind Ausführungsbeispiele bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für Fachleute ist es offenkundig, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass Ausführungsbeispiele in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet sein können und dass weder die einen noch die anderen so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht einschränkend wirken. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der, die, das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
  • Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber" „direkt benachbart" oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Abbildungen veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5%, optional kleiner oder gleich 4%, optional kleiner oder gleich 3%, optional kleiner oder gleich 2%, optional kleiner oder gleich 1%, optional kleiner oder gleich 0,5% und kleiner oder gleich 0,1% umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
  • Es werden nun Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektroaktive Materialien zur Verwendung in Elektroden von elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen und Verfahren zu deren Herstellung, z.B. Verfahren zum Lithiieren elektroaktiver Materialien (z.B. Metallanoden), um so betriebliche Ineffizienzen zu verringern, die sich z.B. aus dem Verlust aktiver Lithiumionen während des ersten Zellzyklus ergeben. Das Verfahren umfasst beispielsweise im Allgemeinen das Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten zur Vorbehandlung des elektroaktiven Materials und das Lithiieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials durch Kontaktieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials und einer Lithiumquelle unter Ausüben von Druck. Die gegenwärtige Technologie bezieht sich auch auf einen Elektrolyt und Elektrolytzusatzstoffe zur Verwendung in elektrochemischen Zellen, die die lithiierten elektroaktiven Materialien, zum Beispiel lithiierte Metallanoden, umfassen.
  • Eine typische Lithium-Ionen-Batterie umfasst eine erste Elektrode (z. B. eine positive Elektrode oder Kathode) gegenüber einer zweiten Elektrode (z. B. einer negativen Elektrode oder Anode) und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyt. In einem Lithium-Ionen-Akkumulator können Batterien oder Zellen oft in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithium-Ionen-Batterien funktionieren durch den reversierbaren Durchgang von Lithiumionen zwischen der ersten und zweiten Elektrode. Beispielsweise können sich Lithiumionen während des Aufladens der Batterie von einer positiven Elektrode zu einer negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zu leiten, und kann in flüssiger, gelierter oder fester Form vorliegen. Beispielsweise ist in 1 eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 gezeigt. Obwohl das abgebildete Beispiel eine einzelne Kathode 24 und eine einzelne Anode 22 umfasst, wird der Fachmann erkennen, dass die aktuellen Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen anwendbar sind, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
  • Die Batterie 20 umfasst eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 26, der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 stellt eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit. d.h. er verhindert den physischen Kontakt. Der Separator 26 stellt außerdem einen minimalen Widerstandspfad für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. Bei verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyt 30, der bei bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 durch einen Festkörperelektrolyt 30 gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Partikeln des Festkörperelektrolyten (nicht abgebildet) definiert sein.
  • Ein zu der negativen Elektrode gehörender Stromkollektor 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 positioniert sein, und ein zu der positiven Elektrode gehörender Stromkollektor 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der zu der negativen Elektrode gehörende Stromkollektor 32 und der zu der positiven Elektrode gehörende Stromkollektor 34 sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den zu der negativen Elektrode gehörenden Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zu der positiven Elektrode gehörenden Stromkollektor 34) verbinden. Der zu der positiven Elektrode gehörende Stromkollektor 34 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Aluminium oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das den Fachleuten bekannt ist. Der zu der negativen Elektrode gehörende Stromkollektor 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das den Fachleuten bekannt ist.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von eingelagertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyt 30 zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern über den Separator 26, der die Elektrolytlösung 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 verringert ist.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung der Batterie stattfinden. Der Anschluss einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. eine nicht-spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyt 30 und über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Als solcher wird jeder vollständige Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
  • In vielen Lithium-Ionen-Batterie-Anordnungen werden jeweils der zu der negativen Elektrode gehörende Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zu der positiven Elektrode gehörende Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z.B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. Bei verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 außerdem eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Batterieklemmen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb der Batterie 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden. Die oben beschriebene Batterie 20 umfasst einen flüssigen Elektrolyt und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Bei der Batterie 20 kann es sich jedoch auch um eine Festkörperbatterie handeln, die einen Festkörperelektrolyt umfasst, der eine andere Ausführung aufweisen kann, wie es den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist.
  • Wie bereits erwähnt, können die Größe und Form der Batterie 20 je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich die Batterie 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder das System 30 umfassen, z.B. in ihren Poren, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen den Elektroden 22, 24 zu leiten, kann in der Batterie 20 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 30 eine nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze umfasst, das bzw. die in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung aus organischen Lösungsmitteln gelöst ist bzw. sind. In der Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösungen verwendet werden.
  • Geeignete Lithiumsalze weisen im Allgemeinen inerte Anionen auf. Eine nicht-einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung aus organischen Lösungsmitteln gelöst werden können, um die nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C204)) (LiODFB), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumtetrafluoroxalatophosphat (LiPF4(C2O4)) (LiFOP), Lithiumnitrat (LiNO3), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF3SO2)2), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumfluoralkylphosphat (LiFAP) (Li3O4P) und Kombinationen davon.
  • Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln gelöst werden, zu denen unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstruktur-Ether (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL)), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon gehören.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 30 kleiner oder gleich ungefähr 5 Vol.-%, kleiner oder gleich ungefähr 4 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich ungefähr 3 Vol-% an zyklischen Carbonaten, darunter z.B. Fluorethylencarbonat (FEC), umfassen. Beispielsweise kann der Elektrolyt 30 größer ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Vol.-%, größer ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 4 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 3 Vol.-% an zyklischen Carbonaten umfassen. Bei verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt eine Konzentration des einen oder der mehreren Lithiumsalze von größer oder gleich 0,01 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4 M aufweisen.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 30 ferner einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Beispielsweise kann der Elektrolyt 30 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Elektrolytzusatzstoffe umfassen. Der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Folgendem besteht:
    Figure DE102020131531A1_0009
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0010
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0011
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, Ch2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0012
    wobei mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander aus Wasserstoff (H), Fluor (F), Chlorid (CI), Bromid (Br), Iodid (I), Cyanid (CN), Stickstoffdioxid (NO2), Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl, Heterocyclyl, Heteroaryl, Heteroaralkyl und Fluoralkyl ausgewählt ist und mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 Fluor (F), Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS), N,N, 1,1,1-Pentamethylsilanamin und Kombinationen davon umfasst.
  • Zum Beispiel können bei verschiedenen Aspekten der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0013
    wobei R für H steht (z.B. 1,3,2-Dioxathiolan-2,2-Dioxid (DTD)). Bei bestimmten Abwandlungen können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0014
    wobei R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander aus Wasserstoff (H), Fluor (F), C1-C8-Alkyl und C1-C8-Fluoralkyl ausgewählt sind und mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 Fluor (F) umfasst. Bei bestimmten anderen Abwandlungen können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0015
    wobei R1, R2 und R3 Wasserstoff (H) und R4 Fluor (F) ist (z.B. Fluorethylencarbonat (FEC)). Bei anderen Abwandlungen können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0016
    wobei R1 und R2 Wasserstoff (H) und R3 und R4 Fluor (F) sind. Bei weiteren anderen Abwandlungen können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0017
    wobei R2 und R3 Wasserstoff (H) und R1 und R4 Fluor (F) (z.B. 4,5-Difluor-1,3-dioxolan-2-on (DFEC)) sind. Bei noch anderen Abwandlungen können der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Folgendes umfassen:
    Figure DE102020131531A1_0018
    wobei R1, R2, R3 und R4 jeweils Fluor sind (F).
  • Ein Festkörperelektrolyt kann ein oder mehrere Festkörperelektrolytpartikel umfassen, die einen oder mehrere polymerbasierte Partikel, oxidbasierte Partikel, sulfidbasierte Partikel, halogenidbasierte Partikel, boratbasierte Partikel, nitridbasierte Partikel und hydridbasierte Partikel umfassen können. Ein solcher Festkörperelektrolyt kann in einer Vielzahl von Schichten angeordnet sein, so dass eine dreidimensionale Struktur und bei bestimmten Aspekten der Separator 26 definiert werden. Bei verschiedenen Aspekten können die polymerbasierten Partikel mit einem Lithiumsalz vermischt sein, so dass sie als festes Lösungsmittel wirken.
  • Bei verschiedenen Aspekten können die oxidbasierten Partikel eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom Typ LISICON, Oxide vom Typ NASICON und Keramiken vom Typ Perowskit umfassen. Zum Beispiel können die eine oder die mehreren Granatkeramiken aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li6,5La3Zr1,75Te0,25O12, Li7La3Zr2012, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li6,25Al0,25La3Zr2O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12 und Kombinationen davon besteht. Das eine oder die mehreren Oxide vom Typ LISICON können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li14Zn(GeO4)4, Li3+x(P1-xSix)O4 (wobei 0 < x < 1), Li3+xGexV1-xO4 (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon besteht. Das eine oder die mehreren Oxide vom Typ NASICON können durch LiMM'(PO4)3 definiert sein, wobei M und M' unabhängig voneinander aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La ausgewählt sind. Zum Beispiel können bei bestimmten Abwandlungen das eine oder die mehreren Oxide vom Typ NASICON aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (LAGP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (LATP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li1+xYxZr2-x(PO4)3 (LYZP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, LiGeTi(PO4)3, LiGe2(PO4)3, LiHf2(PO4)3 und Kombinationen davon besteht. Die eine oder die mehreren Keramiken vom Typ Perowskit können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (wobei x = 0,75y und 0,60 < y < 0,75), Li3/8Sr7l16Nb3/4Zr1/4O3, Li3xLa(2/3-x)TiO3 (wobei 0 < x < 0,25) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei verschiedenen Aspekten können die polymerbasierten Partikel ein oder mehrere Polymermaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Polyethylenglykol, Polyhenylenether) (PPE), Polymethylmethacrylat) (PMMA), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Cohexafluorpropen (PVDF-HFP), Polyvinylchlorid (PVC) und Kombinationen davon besteht. Die sulfidbasierten Partikel können ein oder mehrere sulfidbasierte Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind die aus Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-MSx (wobei M Si, Ge und Sn und 0 ≤ x ≤ 2 ist), Li3,4Si0,4P0,6S4, Li10GeP2S11,7O0,3, Li9,6P3S12, Li7P3S11, Li9P3S9O3, Li10,35Si1,35P1,65S12, Li9,81,Sn0,81,P2,19S12, Li10(Si0,5Ge0,5)P2S12, Li(Ge0,5Sn0,5)P2S12, Li(Si0,5Sn0,5)PsS12, Li10GeP2S12 (LGPS), Li6PS5X (wobei X Cl, Br oder I ist), Li7P2S8I, L110,35Ge1,35P1,65S12, Li3,25Ge0,25P0,75S4, L110SnP2S12, L110SiP2S12, Li9,54Si1,74P1,44P11,7Cl0,3, (1-x)P2S5-xLi2S (wobei 0,5 ≤ x ≤ 0,7) und Kombinationen davon besteht. Die halogenidbasierten Partikel können ein oder mehrere halogenidbasierte Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Li2CdCl4, Li2MgCl4, Li2Cdl4, Li2Znl4, Li3OCl, Lil, Li5Znl4, Li3OCl1-xBrx (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon besteht.
  • Bei verschiedenen Aspekten können die boratbasierten Partikel ein oder mehrere boratbasierte Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Li2B4O7, Li2O-(B2O3)-(P2O5) und Kombinationen davon besteht. Die nitridbasierten Partikel können ein oder mehrere nitridbasierte Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, LiPON und Kombinationen davon besteht. Die hydridbasierten Partikel können ein oder mehrere hydridbasierte Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Li3AlH6 LiBH4, LiBH4-LiX (wobei X Cl, Br und/oder I ist), LiNH2, Li2NH, LiBH4-LiNH2 und Kombinationen davon besteht. Bei noch weiteren Abwandlungen kann der Elektrolyt 30 ein Quasifestkörperelektrolyt sein, der ein Hybrid aus der oben beschriebenen, nicht-wässrigen flüssigen Elektrolytlösung und Festkörperelektrolytsystemen umfasst, beispielsweise solche, die eine oder mehrere ionische Flüssigkeiten und einen oder mehrere Metalloxidpartikeln, wie Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliciumdioxid (SiO2), umfassen.
  • Bei verschiedenen Aspekten, z.B. wenn der Elektrolyt 30 eine nicht-wässrige flüssige Elektrolytlösung ist, kann der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator sein, der z.B. ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, die solche eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers umfassen. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. Bei bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Im Handel erhältliche poröse Polyolefinmembranen umfassen CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind. Es sind verschiedene andere herkömmlich erhältliche Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 26 sowie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung solcher mikroporöser Polymerseparatoren 26 eingesetzt werden können, denkbar.
  • Ist der Separator 26 ein mikroporöser Polymerseparator, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. Bei anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen Polymerseparator 26 zu bilden.
  • Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, unter anderem z.B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyamid (Nylon), Polyurethane, Polycarbonate, Polyester, Polyetheretherketone (PEEK), Polyethersulfone (PES), Polyimide (PI), Polyamidimide, Polyether, Polyoxymethylen (z.B. Acetal), Polybutylenterephthalat, Polyethylennaphthenat, Polybuten, Polymethylpenten, Polyolefin-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Polystyrol-Copolymere, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polysiloxan-Polymere (z.B. Polydimethylsiloxan (PDMS)), Polybenzimidazol (PBI), Polybenzoxazol (PBO), Polyphenylene, Polyarylenetherketone, Polyperfluorocyclobutane, Polyvinylidenfluorid-Copolymere (z.B. PVDF-Hexafluorpropylen oder (PVDF-HFP)) und Polyvinylidenfluorid-Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristalline Polymere (z.B. VECTRANTM (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramide, Polyphenylenoxid, Zellulosematerialien, mesoporöses Siliciumdioxid oder jedes andere Material, das zur Erzeugung der erforderlichen porösen Struktur geeignet ist. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • Bei bestimmten Aspekten kann der Separator 26 ferner eine keramische Beschichtung und/oder eine hitzebeständige Materialbeschichtung umfassen. Die keramische Beschichtung und/oder die hitzebeständige Materialbeschichtung kann auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das Material, das die keramische Schicht bildet, kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2) und Kombinationen davon besteht. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Nomex, Aramid und Kombinationen davon besteht.
  • Bei verschiedenen Aspekten umfasst die positive Elektrode 24 ein lithiumbasiertes positives elektroaktives Material, das einer Lithiumeinlagerung und -auslagerung oder einem Legier- und Entlegiervorgang oder Beschichtungs- und Ablösevorgang ausgesetzt werden kann, während es als positiver Pol der Batterie 20 fungiert. Bei verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialpartikeln (nicht abgebildet) definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialpartikel können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Bei bestimmten Abwandlungen kann, wie oben erwähnt, die positive Elektrode 24 ferner den Elektrolyt 30 umfassen, z.B. eine Vielzahl von Elektrolytpartikeln (nicht abgebildet).
  • Bei verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine geschichtete Oxidkathode, eine Spinellkathode oder eine Polyanionkathode sein. Zum Beispiel umfassen geschichtete Oxidkathoden (z.B. Steinsalzschichtoxide) ein oder mehrere lithiumbasierte positive elektroaktive Materialien, die aus Li-NixMnyCo1-x-yO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNixMn1-xO2(wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li1+xMO2(wobei M Mn, Ni, Co oder Al und 0 ≤ x ≤ 1 ist) (zum Beispiel LiCoO2 (LCO), LiNiO2, LiMnO2, LiNi0.5Mn0.5O2, NMC111, NMC523, NMC622, NMC 721, NMC811, NCA) ausgewählt sind. Spinellkathoden umfassen ein oder mehrere lithiumbasierte positive elektroaktive Materialien, die aus LiMn2O4 und LiNi0,5Mn1,5O4 ausgewählt sind. Kathoden vom Olivintyp umfassen ein oder mehrere lithiumbasierte positive elektroaktive Materialien, wie LiV2(PO4)3, LiFePO4, LiCoPO4 und LiMnPO4. Kathoden vom Tavorittyp umfassen z.B. UVPO4F. Kathoden vom Borattyp umfassen zum Beispiel LiFeBO3, LiCoBO3 und/oder LiMnBO3. Kathoden vom Silikattyp umfassen zum Beispiel Li2FeSiO4, Li2MnSiO4 und LiMnSiO4F. Bei noch weiteren Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere andere positive elektroaktive Materialien umfassen, wie z.B. Dilithium (2,5-Dilithiooxy)terephthalat und/oder Polyimid. Bei verschiedenen Aspekten kann das positive elektroaktive Material optional beschichtet (z.B. mit LiNbO3 und/oder Al2O3) und/oder dotiert (z.B. mit Magnesium (Mg), Aluminium (AI) und/oder Mangan (Mn)) sein.
  • Das positive elektroaktive Material der positiven Elektrode 24 kann optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Unversehrtheit der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel kann das positive elektroaktive Material der positiven Elektrode 24 optional mit Bindemitteln wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und Kombinationen davon vermischt sein. Elektrisch leitende Materialien können kohlenstoffbasierte Materialien, Nickelpulver oder andere Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Kohlenstoffbasierte Materialien können z.B. Partikel aus Ruß, Graphit, Acetylenschwarz (wie KET-CHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern und Nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen Beispiele für ein leitendes Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-%.% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% eines oder mehrerer Bindemittel umfassen.
  • Bei verschiedenen Aspekten umfasst die negative Elektrode 22 ein Lithiumwirtsmaterial, das in der Lage ist, als negativer Pol einer Lithium-Ionen-Batterie zu fungieren. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 ein Lithiumwirtsmaterial (z.B. ein negatives elektroaktives Material) umfassen, das als negativer Pol der Batterie 20 fungieren kann. Bei verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialpartikeln (nicht abgebildet) definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialpartikel können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 22 definieren. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 bei verschiedenen Aspekten ein Metallfilm oder eine Metallfolie sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann, wie oben erwähnt, die negative Elektrode 22 ferner den Elektrolyt 30 umfassen, z.B. eine Vielzahl von Elektrolytpartikeln (nicht abgebildet).
  • Die negative Elektrode 22 kann ein negatives elektroaktives Material auf Lithiumbasis umfassen, das z.B. ein Lithiummetall und/oder eine Lithiumlegierung (z.B. Lithium-Silicium-Legierung, Lithium-Aluminium-Legierung, Lithium-Indium-Legierungen) umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis umfassen, das z.B. Silicium, eine Siliciumlegierung, Siliciumoxid oder Kombinationen davon umfasst und in bestimmten Fällen weiter mit Graphit gemischt werden kann. Bei noch anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material sein, bei dem es sich um eine kohlenstoffhaltige Anode handelt, die zum Beispiel ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien wie Graphit, Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren (CNT) umfasst. Bei noch weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere lithiumaufnehmende negative elektroaktive Materialien wie Lithiumtitanoxid (Li4Ti5O12), ein oder mehrere Übergangsmetalle (wie z.B. Zinn (Sn)), ein oder mehrere Metalloxide (wie z.B. Vanadiumoxid (V2O5), Zinnoxid (SnO), Titandioxid (TiO2)), Titannioboxid (TixNbyOz, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64) und ein oder mehrere Metallsulfide (wie z.B. Eisensulfid (FeS)) umfassen. Wie weiter unten weiter ausgeführt wird, kann das negative elektroaktive Material bei verschiedenen Aspekten vorlithiiert sein.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Unversehrtheit der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel kann das negative elektroaktive Material der negativen Elektrode 22 optional mit Bindemitteln wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und Kombinationen davon vermischt sein.
  • Elektrisch leitende Materialien können kohlenstoffbasierte Materialien, Nickelpulver oder andere Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Kohlenstoffbasierte Materialien können z.B. Partikel aus Ruß, Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern und Nanoröhren, Graphen und dergleichen umfassen Beispiele für ein leitendes Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-%.% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% eines oder mehrerer Bindemittel umfassen.
  • Wie oben weiter ausgeführt, kann die negative Elektrode 22 während der Entladung eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Lithiumionen können von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24 wandern, z.B. durch den ionisch leitenden Elektrolyt 30, der in den Poren eines zwischengeschalteten porösen Separators 26 enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis 40 von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode 24 assimiliert werden. Die Batterie kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfinden, umgekehrt werden.
  • In verschiedenen Fällen jedoch, insbesondere bei Silicium umfassenden elektrochemischen Zellen, verbleibt ein Teil des eingelagerten Lithiums nach einem ersten Zyklus bei der negativen Elektrode 22, z.B. aufgrund der Bildung einer (nicht abgebildeten) Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf der negativen Elektrode 22 während des ersten Zyklus sowie aufgrund eines anhaltenden Lithiumverlusts durch kontinuierlichen Bruch der Festkörperelektrolyt-Zwischenphase. Zum Beispiel können elektrochemische Zellen, die Silicium umfassende negative Elektroden umfassen, einen Kapazitätsverlust im ersten Zyklus von ungefähr 20% und bei bestimmten Aspekten von ungefähr 40% erfahren. Gleichermaßen können elektrochemische Zellen, die Silicium oder Siliciumoxide (SiOx) umfassende negative Elektroden umfassen, einen Kapazitätsverlust im ersten Zyklus von ungefähr 40% erfahren. Solche Kapazitätsverluste im ersten Zyklus führen zu Situationen mit niedrigen Energiedichten. Ein solcher dauerhafter Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie 20 führen, die z.B. aus der zusätzlichen Masse der positiven Elektrode resultiert, die nicht am reversierbaren Betrieb der Batterie teilnimmt.
  • Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenlegung ein Verfahren zum Lithiieren elektroaktiver Materialien bereit, zum Beispiel zum Lithiieren elektroaktiver Materialien zur Verwendung innerhalb der negativen Elektrode 22, wie in 1 veranschaulicht. Das Verfahren umfasst beispielsweise das Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten zur Vorbehandlung des elektroaktiven Materials und das Lithiieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials durch Kontaktieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials und einer Lithiumquelle unter Ausüben von Druck. Wie in 2 veranschaulicht, kann das Verfahren die Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens umfassen, bei dem die Lithiierung durch Bewegen eines elektroaktiven Materials 200 auf einem Rollensystem 210 mit einer Vielzahl von Rollen durchgeführt werden kann, wobei mindestens eine Rolle 224 aus der Vielzahl von Rollen mindestens teilweise in einem Elektrolytbad 230 angeordnet ist, um das sich darüber bewegende elektroaktive Material 200 vorzubehandein, und zwei oder mehr Rollen 228A, 228B aus der Vielzahl von Rollen aus einer Lithiumquelle, z.B. Lithiummetall, gebildet oder damit beschichtet sind und dazu ausgelegt sind, einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 202 auszuüben, das sich dazwischen bewegt. Das elektroaktive Material 200 kann ein Metallfilm oder eine Metallfolie sein, der bzw. die z.B. Aluminium (AI), Magnesium (Mg), Zinn (Sn), Indium (In), Silicium (Si) und/oder Siliciumoxid (SiOx, wobei 0 ≤ x ≤ 2) umfasst.
  • Wie veranschaulicht, kann sich das elektroaktive Material 200 bei verschiedenen Aspekten von einer ersten Rolle 222 zu einer zweiten Rolle 224 bewegen, die zumindest teilweise in einem Elektrolytbad 230 angeordnet ist. Der Durchmesser der zweiten Rolle 224 sowie die Tiefe des Elektrolytbades 230 und die Drehgeschwindigkeiten der Vielzahl von Rollen können so gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass das elektroaktive Materials 200 dem Elektrolytbad 230 ausreichend ausgesetzt ist. Beispielsweise kann die zweite Rolle 224 einen Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,1 Inch bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Inch aufweisen. Bei bestimmten Aspekten kann das elektroaktive Material 200 dem Elektrolytbad 230 für eine Zeitdauer von größer oder gleich ungefähr 10 Sekunden bis kleiner oder gleich ungefähr 12 Stunden ausgesetzt werden.
  • Das Elektrolytbad 230 umfasst ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung aus organischen Lösungsmitteln gelöst sind. Zum Beispiel umfasst das Elektrolytbad 230 bei verschiedenen Aspekten ein oder mehrere Lithiumsalze, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, und ein oder mehrere Lösungsmittel, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht. Zum Beispiel kann das Elektrolytbad 230 eine Konzentration des einen oder der mehreren Lithiumsalze von größer oder gleich 0,01 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4 M aufweisen. Das Elektrolytbad 230 kann größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des einen oder der mehreren Lösungsmittel umfassen.
  • Das elektroaktive Material 200 wird mit dem Elektrolyt 230 benetzt, während es über die zweite Rolle 224 läuft. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Elektrolyt 230 die Bildung einer künstlichen Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf dem elektroaktiven Material 200 bewirken. Das elektroaktive Material 200, das eine künstliche Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf einer oder mehreren seiner Oberflächen umfasst, kann ein vorbehandeltes elektroaktives Material 202 definieren.
  • Nachdem das vorbehandelte elektroaktive Material 202, das z.B. die künstliche Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) umfasst, dem Elektrolyt 230 ausreichend ausgesetzt war, kann es sich von der zweiten Rolle 224 zu einer dritten Rolle 226 bewegen, um die Ausrichtung oder Fixierung des vorbehandelten elektroaktiven Materials 202 mit zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B zu unterstützen, die dazu ausgelegt oder ausgerichtet sind, einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 202 auzuüben. Die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B können dazu ausgelegt sein, einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 202 auszuüben, der größer als 0 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi, größer als 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi, größer als 1 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 15 psi und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 15 psi ist.
  • Wie die zweite Rolle 224 können die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B einen Durchmesser aufweisen, der gewährleistet, dass die zwei oder mehr Druckrollen 228A, 228B über einen ausreichenden Zeitraum einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 202 ausüben. Zum Beispiel können die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B jeweils einen Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,1 Inch bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Inch aufweisen. Die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B können dazu ausgelegt sein, den Druck für größer oder gleich ungefähr 2 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 12 Stunden auszuüben. Die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B sind aus einer Lithiumquelle, wie z.B. Lithiummetall, gebildet oder damit beschichtet. Die Lithiumquelle kann mit dem elektroaktiven Material und/oder der künstlichen Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) des vorbehandelten elektroaktiven Materials 202 reagieren, um ein lithiiertes elektroaktives Material 204 zu bilden.
  • Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenlegung ein weiteres Verfahren zum Lithiieren elektroaktiver Materialien vor, zum Beispiel zum Lithiieren elektroaktiver Materialien zur Verwendung innerhalb der negativen Elektrode 22, wie in 1 veranschaulicht. Das Verfahren umfasst beispielsweise das Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten zur Vorbehandlung des elektroaktiven Materials und das Lithiieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials durch Kontaktieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials und einer Lithiumquelle unter Ausüben von Druck. Wie in 3 veranschaulicht, kann das Verfahren das Bewegen eines elektroaktiven Materials 300 auf einem eine Vielzahl von Rollen umfassenden Rollensystem 310 umfassen. Das elektroaktive Material 300 kann ein Metallfilm oder eine Metallfolie sein, der bzw. die z.B. Aluminium (AI), Magnesium (Mg), Zinn (Sn), Indium (In), Silicium (Si) und/oder Siliciumoxid (SiOx, wobei 0 ≤ x ≤ 2) umfasst.
  • Das Verfahren kann das Aufbringen eines Elektrolyten 330 auf eine oder mehrere Oberflächen des elektroaktiven Materials 300 umfassen, während das elektroaktive Material 300 durch das Rollensystem 310 läuft. Zum Beispiel kann, wie veranschaulicht, das Verfahren das Aufbringen eines Elektrolyten 330 auf eine erste Oberfläche des elektroaktiven Materials 300 umfassen. Der Elektrolyt 330 kann auf die erste Oberfläche des elektroaktiven Materials 300 aufgebracht werden, das sich von einer ersten Rolle 322 zu zwei oder mehreren Druckrollen 328A, 328B bewegt. Der Elektrolyt 330 kann mit einem kontrollierten Sprühsystem auf die erste Oberfläche des elektroaktiven Materials 300 aufgebracht werden. Der Elektrolyt 330 kann identisch mit dem Elektrolytbad 230 sein, das in Bezug auf 2 erörtert wurde.
  • Wie die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B, die in 2 veranschaulicht sind, können die zwei oder mehreren Druckrollen 328A, 328B dazu ausgelegt oder ausgerichtet sein, einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 302 auszuüben. Beispielsweise können die zwei oder mehreren Druckrollen 328A, 328B dazu ausgelegt sein, einen Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material 202 auszuüben, der größer als 0 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi, größer als 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi, größer als 1 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 15 psi und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 15 psi ist. Der Druck kann über einen Zeitraum, der größer oder gleich ungefähr 2 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 12 Stunden ist, ausgeübt werden. Die zwei oder mehreren Druckrollen 328A, 328B können, wie die zwei oder mehreren Druckrollen 228A, 228B, die in 2 veranschaulicht sind, aus einer Lithiumquelle, wie z.B. Lithiummetall, gebildet oder damit beschichtet sein. Die Lithiumquelle kann mit dem elektroaktiven Material und/oder der künstlichen Festkörperelektrolyt-Zwischenphase (SEI) des vorbehandelten elektroaktiven Materials 302 reagieren, um ein lithiiertes elektroaktives Material 304 zu bilden.
  • Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenlegung noch ein weiteres Verfahren zum Lithiieren elektroaktiver Materialien vor, zum Beispiel zum Lithiieren elektroaktiver Materialien zur Verwendung innerhalb der negativen Elektrode 22, wie in 1 veranschaulicht. Das Verfahren umfasst beispielsweise das Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten zur Vorbehandlung des elektroaktiven Materials und das Lithiieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials durch Kontaktieren des vorbehandelten elektroaktiven Materials und einer Lithiumquelle unter Ausüben von Druck. Wie in 4 veranschaulicht, kann das Verfahren, z.B. bei 450, das Aufbringen eines Elektrolyten 430 auf eine oder mehrere Oberflächen eines elektroaktiven Materials 400 umfassen, z.B. das Aufbringen von ungefähr 20 µL pro 1 cm2 der einen oder der mehreren Oberflächen des elektroaktiven Materials 400.
  • Das elektroaktive Material 400 kann ein Metallfilm oder eine Metallfolie sein, der bzw. die z.B. Aluminium (AI), Magnesium (Mg), Zinn (Sn), Indium (In), Silicium (Si) und/oder Siliciumoxid (SiOx, wobei 0 ≤ x ≤ 2) umfasst. Wie das unter Bezugnahme auf 2 erörterte Elektrolytbad 230 kann der Elektrolyt 430 ein oder mehrere Lithiumsalze, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, und ein oder mehrere Lösungsmittel, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht, umfassen. Zum Beispiel kann der Elektrolyt eine Konzentration des einen oder der mehreren Lithiumsalze von größer oder gleich 0,01 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4 M aufweisen.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann das Verfahren ferner, z.B. bei 452, das Aufbringen einer Lithiumquelle 440, z.B. eines Lithiummetallfilms, auf einer freiliegenden Oberfläche des aufgebrachten Elektrolyten 430 oder angrenzend an dieselbe umfassen. Bei 454 kann ein Druck, z.B. wie durch den Pfeil 450 veranschaulicht, auf die Anordnung oder den Stapel 460, der die Lithiumquelle 440, den Elektrolyt 430 und das elektroaktive Material 400 umfasst, ausgeübt werden, um ein lithiiertes elektroaktives Material 404 zu bilden.
  • BEISPIELE
  • Ausgestaltungen und Merkmale der gegenwärtigen Technologie sind ferner durch das folgende nicht einschränkende Beispiel veranschaulicht.
  • Beispiel I - Lithiierungsverfahren
  • Eine beispielhafte lithiierte Siliciumanode wird nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt. Beispielsweise kann die Lithiierung der Siliciumanode durch Bewegen eines siliciumhaltigen Films (10 mAh/cm2) mit einer Dicke von ungefähr 40 µm auf einem eine Vielzahl von Rollen umfassenden Rollensystem durchgeführt werden, wobei mindestens eine Rolle aus der Vielzahl von Rollen teilweise in einem Elektrolytbad angeordnet ist und zwei oder mehrere nachfolgende Rollen aus der Vielzahl von Rollen aus einer Lithiumquelle gebildet oder mit einer Lithiumquelle beschichtet und dazu ausgelegt sind, einen Druck auf den vorbehandelten siliciumhaltigen Film auszuüben, der sich zwischen denselben bewegt. Die zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Rollen können einen Druck von ungefähr 10 psi über einen Zeitraum von ungefähr 2 Minuten ausüben. Das Elektrolytbad kann 1,2 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (Volumenverhältnis 1:4) umfassen. Die lithiierte Siliciumanode kann in eine Lithium-Ionen-Batterie 510 eingebaut werden, die eine Kathode mit NMC 622 (4,25 mAh/cm2) und einem Elektrolyt mit einer Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (Volumenverhältnis 1:4) von 1 M umfasst.
  • Wie in 5A veranschaulicht, kann die Lithium-Ionen-Batterie 510, die die beispielhafte lithiierte Siliciumanode, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, umfasst, mit einer ersten vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterie 512, die eine ähnliche Siliciumanode aufweist, die mit herkömmlichen elektrochemischen Verfahren lithiiert ist, einschließlich z.B. durch direktes Aufdrücken einer Lithiummetallfolie auf die Elektrode, durch direktes Mischen eines stabilisierten Lithiummetallpulvers („SLMP“) mit dem Elektrodenmaterial und/oder unter Verwendung herkömmlicher elektrochemischer Verfahren, und mit einer zweiten vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterie 514 verglichen werden, die ebenfalls eine ähnliche Siliciumanode aufweist, die nicht lithiiert ist. Die y-Achse 502 in 5A steht für die Kapazität (mAh/g), während die Zyklusnummer auf der x-Achse 504 angezeigt wird. Wie veranschaulicht, weist die Batterie mit der beispielhaften lithiierten Siliciumanode 510 im Vergleich zu den Batterien 512 und 514 eine bessere langfristige Leistung und Stabilität, z.B. eine höhere erste Coulomb-Effizienz und eine höhere Kapazitätsabgabe nach der Vorlithiierung, sowie eine verbesserte Kapazitätserhaltung und spezifische Kapazität auf. Zum Beispiel kann die erste Coulomb-Effizienz der beispielhaften lithiierten Siliciumanode 510 im Vergleich zu den Batterien 512 und 514 von ungefähr 70% auf ungefähr 80% ansteigen, und die Entladekapazität der beispielhaften lithiierten Siliciumanode 510 kann im Vergleich zu den Batterien 512 und 514 von ungefähr 150 mAh/g auf ungefähr 165 mAh/g ansteigen.
  • Beispiel II - Dicke
  • Eine weitere beispielhafte lithiierte Siliciumanode wird nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt. Beispielsweise kann die Lithiierung der Siliciumanode durch Bewegen eines siliciumhaltigen Films (15 mAh/cm2) mit einer Dicke von ungefähr 60 µm auf einem eine Vielzahl von Rollen umfassenden Rollensystem durchgeführt werden, wobei mindestens eine Rolle aus der Vielzahl von Rollen teilweise in einem Elektrolytbad angeordnet ist und zwei oder mehrere nachfolgende Rollen aus der Vielzahl von Rollen aus einer Lithiumquelle gebildet oder mit einer Lithiumquelle beschichtet und dazu ausgelegt sind, einen Druck auf den vorbehandelten siliciumhaltigen Film auszuüben, der sich zwischen denselben bewegt. Die zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Rollen können einen Druck von ungefähr 10 psi über einen Zeitraum von ungefähr 2 Minuten ausüben. Das Elektrolytbad kann 1,2 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in Ethylencarbonat (EC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (Volumenverhältnis 1:4) umfassen. Die lithiierte Siliciumanode kann in eine Lithium-Ionen-Batterie 530 eingebaut werden, die eine Kathode mit NMC 622 (4,25 mAh/cm2) und einem Elektrolyt mit einer Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (Volumenverhältnis 1:4) von 1 M umfasst.
  • Wie in 5B veranschaulicht, kann die Lithium-Ionenbatterie 530, die eine beispielhafte lithiierte Siliciumanode umfasst, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, mit einer vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterie 534 verglichen werden, die ebenfalls eine ähnliche Siliciumanode aufweist, aber nicht lithiiert ist (z.B. unberührte Siliciumelektrode). Die y-Achse 520 in 5B steht für die Kapazität (mAh), während die Zyklusnummer auf der x-Achse 522 angezeigt wird. Wie veranschaulicht, weist die Batterie mit der beispielhaften lithiierten Siliciumanode 530 im Vergleich zur Batterie 534 eine bessere Langzeitleistung und Stabilität auf. Zum Beispiel kann die beispielhafte lithiierte Siliciumanode 530 eine verbesserte Kapazitätsabgabe von ungefähr 10% aufweisen.
  • Beispiel III - Vorlaufzeit
  • 5C zeigt eine grafische Veranschaulichung der Kapazitätserhaltung pro Zyklus verschiedener elektrochemischer Vergleichszellen, die lithiierte Siliciumanoden (15 mAh/cm2) umfassen, die unter Verwendung verschiedener Elektrolytsysteme und Vorlaufzeiten nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurden. In jedem Fall kann jedoch die jeweilige lithiierte Siliciumanode in eine entsprechende Batterie eingebaut werden, die eine Kathode mit NMC 622 (4,25 mAh/cm2) und einem Elektrolyt mit einer Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) (Volumenverhältnis 1:4) von 1,2 M umfasst. Die elektrochemische Vergleichszelle 560 ist eine Grundlinienzelle mit einer Siliciumanode, die nicht lithiiert ist.
  • Die elektrochemische Vergleichszelle 550 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die unter Verwendung eines Elektrolytbades hergestellt wird, das ungefähr eine Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) von 0,6 M umfasst, das in einem Lösungsmittelgemisch aus Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) gelöst ist (Volumenverhältnis 1:4). Der siliciumhaltige Film kann für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht werden. Ein Druck von ungefähr 10 psi kann für einen Zeitraum von ungefähr 30 Minuten ausgeübt werden.
  • Die elektrochemische Vergleichszelle 552 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die unter Verwendung eines Elektrolytbades hergestellt wird, das ungefähr eine Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) von 1,2 M umfasst, das in einem Lösungsmittelgemisch aus Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) gelöst ist (Volumenverhältnis 1:4). Der siliciumhaltige Film kann für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 2 Minuten mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht werden. Ein Druck von ungefähr 10 psi kann für einen Zeitraum von ungefähr 2 Minuten ausgeübt werden.
  • Die elektrochemische Vergleichszelle 554 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die unter Verwendung eines Elektrolytbades hergestellt wird, das ungefähr eine Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) von 0,6 M umfasst, das in einem Lösungsmittelgemisch aus Fluorethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) gelöst ist (Volumenverhältnis 1:4). Der siliciumhaltige Film kann für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 2 Minuten mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht werden. Ein Druck von ungefähr 10 psi kann für einen Zeitraum von ungefähr 2 Minuten ausgeübt werden.
  • Die elektrochemische Vergleichszelle 556 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die unter Verwendung eines Elektrolytbades hergestellt wird, das ungefähr eine Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) von 0,6 M umfasst, das in einem Ethylmethylcarbonat (EMC) umfassenden Lösungsmittelgemisch gelöst ist. Der siliciumhaltige Film kann für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 12 Stunden mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht werden. Ein Druck von ungefähr 10 psi kann für einen Zeitraum von ungefähr 12 Stunden ausgeübt werden.
  • Die elektrochemische Vergleichszelle 558 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die unter Verwendung eines Elektrolytbades hergestellt wurde, das ein Fluorethylencarbonat (FEC) umfassendes Lösungsmittelgemisch umfasst.
  • Der siliciumhaltige Film kann für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 12 Stunden mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht werden. Ein Druck von ungefähr 10 psi kann für einen Zeitraum von ungefähr 12 Stunden ausgeübt werden.
  • Die y-Achse 540 in 5C steht für die Kapazität (mAh), während die Zyklusnummer auf der x-Achse 542 angezeigt wird. Wie veranschaulicht, lösen Elektrolyte, die insbesondere Fluorethylencarbonat (FEC) und Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) umfassen, eine Lithiierung, z.B. eine Vorlithiierung, aus, wenn die siliciumhaltige Folie mit dem Elektrolyt in Kontakt gebracht wird.
  • Beispiel IV - Vollzellen-Elektrolytsysteme
  • 5D zeigt eine grafische Veranschaulichung der Kapazitätserhaltung pro Zyklus verschiedener elektrochemischer Vergleichszellen, die lithiierte Siliciumanoden (15 mAh/cm2) und verschiedene Elektrolytsysteme umfassen. Die elektrochemischen Vergleichszellen können jeweils eine Kathode aus NMC 622 (4,25 mAh/cm2) umfassen. Bei der elektrochemischen Vergleichszelle 580 handelt es sich um eine Basislinienzelle, die eine nicht lithiierte Siliciumanode und einen Elektrolyt mit einer Konzentration von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) von ungefähr 1,2 M, der in einem Lösungsmittelgemisch aus Ethylmethylcarbonat (EMC) und ungefähr 5 Vol.-% Fluorethylencarbonat (FEC) gelöst ist, umfasst. Die elektrochemische Vergleichszelle 582 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, und einen Elektrolyt, der in einem Lösungsmittelgemisch gelöst ist, das Ethylmethylcarbonat (EMC) und 5 Vol.-% Fluorethylencarbonat (FEC) umfasst. Die elektrochemische Vergleichszelle 582 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, und einen Elektrolyt, der in einem Lösungsmittelgemisch gelöst ist, das Ethylmethylcarbonat (EMC) und 5 Vol.-% Fluorethylencarbonat (FEC) umfasst. Die elektrochemische Vergleichszelle 584 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, und einen Elektrolyt, der in einem Lösungsmittelgemisch gelöst ist, das Ethylmethylcarbonat (EMC), 2 Vol.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und 2 Vol.-% 4,5-Difluor-1,3-dioxolan-2-on (DFEC) umfasst. Die elektrochemische Vergleichszelle 588 umfasst eine lithiierte Siliciumanode, die nach verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde, und einen Elektrolyt, der in einem Lösungsmittelgemisch gelöst ist, das Ethylmethylcarbonat (EMC), 2 Vol.-% Fluorethylencarbonat (FEC) und 1 Vol.-% 1,3,2-Dioxathiolan-2,2-Dioxid (DTD) umfasst.
  • Die y-Achse 570 in 5D steht für die Kapazität (mAh), während die Zyklusnummer auf der x-Achse 572 angezeigt wird. Wie veranschaulicht, weist die lithiierte Elektrode einen verbesserten Leistungsgrad auf.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Lithiieren eines elektroaktiven Materials, wobei das Verfahren umfasst: Kontaktieren eines elektroaktiven Materials und eines Elektrolyten zur Bildung eines vorbehandelten elektroaktiven Materials, Kontaktieren einer Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und Ausüben von Druck auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material, um ein lithiiertes elektroaktives Material zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kontaktieren der Lithiumquelle und des vorbehandelten elektroaktiven Materials und das Ausüben von Druck auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material gleichzeitig erfolgen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein kontinuierlicher Prozess ist, der zumindest teilweise auf einem eine Vielzahl von Rollen umfassenden Rollensystem durchgeführt wird, wobei zwei oder mehrere Rollen aus der Vielzahl von Rollen dazu ausgelegt sind, den ausübenden Druck auf die Lithiumquelle und das vorbehandelte elektroaktive Material zu leiten, und wobei die zwei oder mehreren Rollen aus der Vielzahl von Rollen entweder mit der Lithiumquelle beschichtet oder aus der Lithiumquelle gebildet werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl von Rollen ferner mindestens eine zusätzliche Rolle umfasst, die zumindest teilweise innerhalb des Elektrolyten angeordnet ist, so dass die mindestens eine zusätzliche Rolle dazu ausgelegt ist, das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und des Elektrolyten durchzuführen, um das vorbehandelte elektroaktive Material zu bilden, bevor es auf die zwei oder mehr Rollen trifft.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Kontaktieren des elektroaktiven Materials und des Elektrolyten ferner das Aufsprühen des Elektrolyten auf eine oder mehrere Oberflächen des elektroaktiven Materials umfasst, um das vorbehandelte elektroaktive Material zu bilden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 M bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 M eines oder mehrerer Lithiumsalze umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO2)2) (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Kombinationen davon besteht, und größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines oder mehrerer Lösungsmittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC) und Kombinationen davon besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehrere der Rollen aus der Vielzahl von Rollen dazu ausgelegt sind, den Druck auf das vorbehandelte elektroaktive Material auszuüben, und wobei der ausgeübte Druck größer oder gleich ungefähr 10 psi bis kleiner oder gleich ungefähr 100 psi ist und das elektroaktive Material ein Metallfilm ist, der Aluminium (AI), Magnesium (Mg), Zinn (Sn), Indium (In), Silicium (Si) und/oder Siliciumoxid (SiOx, wobei 0 ≤ x ≤ 2) umfasst, und die Lithiumquelle Lithiummetall umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ein erster Elektrolyt ist und das Verfahren ferner das Einbringen des lithiierten elektroaktiven Materials in eine elektrochemische Zelle umfasst, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle einen zweiten Elektrolyt umfasst, der kleiner oder gleich ungefähr 5% an zyklischen Carbonaten aufweist
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Elektrolyt einen oder mehrere Elektrolytzusatzstoffe enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Folgendem besteht:
    Figure DE102020131531A1_0019
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0020
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0021
    wobei R H, CH3, CH2CH3, CH2CH2CH2CH3, CH(CH3)2, CH2CH2(CH3)2, CH2OCH3, C6H5, CH2OC6H5, CH2OCH2CH3, CH2OCH(CH3)2, C(CH3)HOCH3, CH2CH2OCH3 und/oder CH2CH2OCH2CH3 ist,
    Figure DE102020131531A1_0022
    wobei mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 unabhängig voneinander aus Wasserstoff (H), Fluor (F), Chlorid (CI), Bromid (Br), Iodid (I), Cyanid (CN), Stickstoffdioxid (NO2), Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aralkyl, Heterocyclyl, Heteroaryl, Heteroaralkyl und Fluoralkyl ausgewählt ist und mindestens einer der Reste R1, R2, R3 und R4 Fluor (F), Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS), N,N,1,1,1-Pentamethylsilanamin und Kombinationen davon umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Elektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 5 Gew.-% des einen oder der mehreren Elektrolytzusatzstoffe umfasst und der eine oder die mehreren Elektrolytzusatzstoffe Fluorethylencarbonat (FEC), 4,5-Difluor-1,3-dioxolan-2-on (DFEC), 1,3,2-Dioxathiolan-2,2-dioxid (DTD) und/oder Bis(trimethylsilyl)amin (HMDS) umfassen.
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