DE102020133444A1

DE102020133444A1 - Verfahren zur Herstellung einer schwefelhaltigen Elektrode mit Salzadditiv

Info

Publication number: DE102020133444A1
Application number: DE102020133444.3A
Authority: DE
Inventors: Shuru Chen; Fang DAI; Mei Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-07-15
Also published as: CN113130850A; US20210218015A1; US11342549B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf schwefelhaltige Elektroden und Verfahren zu deren Herstellung. Zum Beispiel kann das Verfahren das Anordnen eines elektroaktiven Materials auf oder in der Nähe eines Stromkollektors umfassen, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden, und das Ausüben von Druck und Aufbringen von Wärme auf die elektroaktive Materialschicht, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist. Die erste Porosität ist größer als die zweite Porosität. Das elektroaktive Material kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und einen oder mehrere Salzadditive enthalten. Das Verfahren kann ferner das Inkontaktbringen der elektroaktiven Materialschicht und eines Elektrolyten umfassen, so dass der Elektrolyt die Vielzahl von einem oder mehreren Salzteilchen auflöst, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein.

Description

STAATLICHE UNTERSTÜTZUNG
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter DE-EE0008230 des Department of Energy gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektroden, z.B. schwefelhaltige Elektroden, zur Verwendung in elektrochemischen Lithiumionen-Zellen und Verfahren zu deren Herstellung. Das Verfahren kann das Anordnen eines elektroaktiven Materials, das eine Vielzahl von Salzadditivteilchen enthält, auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors umfassen, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden, und das Ausüben von Druck auf die elektroaktive Materialschicht, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist, wobei die erste Porosität größer als die zweite Porosität ist.
Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen- und Lithium-Schwefel-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden dient als positive Elektrode oder Kathode, und die andere Elektrode dient als negative Elektrode oder Anode. Jede der Elektroden ist mit einem Stromkollektor (typischerweise ein Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode) verbunden. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in verschiedenen Fällen in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Lithium-Schwefel-Batterien können Kathoden mit schwefelbasierten elektroaktiven Materialien enthalten, zum Beispiel elementaren Schwefel (S) und/oder Li₂S_x wobei 1 ≤ x ≤ 8. Solche Kathoden enthalten oft eine oder mehrere elektroaktive Materialschichten, die z.B. eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material umfassen, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors angeordnet sind. Gängige Herstellungsverfahren umfassen das Anordnen einer Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material in der Nähe der einen oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors, um eine elektroaktive Materialschicht zu bilden, und das Ausüben von Druck auf die Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material (d.h. die Vorläuferschicht aus elektroaktivem Material), um eine kalandrierte oder verfestigte elektroaktive Materialschicht zu bilden, z.B. durch Anwendung eines Kalandrierverfahrens. Nach dem Konsolidierungsprozess, wie dem Kalandrieren, hat die kalandrierte oder konsolidierte elektroaktive Materialschicht eine andere Porosität als die Ausgangsporosität. Das Herstellungsverfahren umfasst dann typischerweise das Einbringen eines Elektrolyten in die kalandrierte oder verfestigte elektroaktive Materialschicht, um die Kathode zu bilden. Solche Kathoden, die einem Kalandrier- oder anderen Verfestigungsprozess unterzogen wurden, weisen jedoch oft eine geringe Kapazitätsausnutzung auf (z.B. weniger als 50 %), da der Elektrolyt nur geringfügig in die kalandrierte oder verfestigte elektroaktive Materialschicht eindringt, die oft eine Porosität von weniger als oder gleich etwa 50 % aufweist. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Kathoden und Verfahren zu deren Herstellung für eine elektrochemische Zelle zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können, und vorzugsweise Verfahren und Materialien, die leicht in gängige Herstellungsprozesse integriert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer elektroaktiven Materialbeimischung auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden. Die elektroaktive Materialbeimischung kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Salzadditivteilchen enthalten. Das Verfahren kann weiterhin das Ausüben von Druck auf die elektroaktive Materialschicht beinhalten, so dass die zweite elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist. Die erste Porosität kann größer sein als die zweite Porosität. Die zweite elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor können die Elektrode definieren.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von Salzadditivteilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumtriflat (LiCF₃SO₃), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialbeimischung mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der Vielzahl von Salzadditivteilchen enthalten.
In einem Aspekt kann die erste Porosität größer oder gleich etwa 60 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 80 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein, und die zweite Porosität kann größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 65 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Inkontaktbringen der elektroaktiven Materialschicht mit einem Elektrolyten umfassen, so dass der Elektrolyt die Vielzahl von Salzadditivteilchen auflöst, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein.
In einem Aspekt kann die dritte Porosität größer oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ein oder mehrere Lithiumsalze enthalten, die sich in einem oder mehreren Lösungsmitteln lösen, die aus 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL) und Sulfolan ausgewählt sind.
In einem Aspekt kann das Ausüben von Druck auch das Beaufschlagen der elektroaktiven Materialschicht mit Wärme beinhalten.
In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht auf mehr als oder gleich etwa 40 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C erhitzt werden.
In einem Aspekt kann jedes Teilchen aus elektroaktivem Material der Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material eines oder mehrere von S, S₈, Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂ und Li₂S umfassen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Verfahren kann das Aufbringen einer Aufschlämmung, die eine Vielzahl von schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Salzteilchen umfasst, auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors umfassen, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden. Das Verfahren kann ferner das Kalandrieren der elektroaktiven Materialschicht umfassen, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist. Die erste Porosität kann größer sein als die zweite Porosität. Die elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor können die schwefelhaltige Elektrode definieren.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von Salzteilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumtriflat (LiCF₃SO₃), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der Mehrzahl von schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der Mehrzahl von Salzteilchen enthalten.
In einem Aspekt kann die erste Porosität größer oder gleich etwa 60 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 80 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein, und die zweite Porosität kann größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 65 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein.
In einem Aspekt kann das Verfahren das Inkontaktbringen der elektroaktiven Materialschicht und eines Elektrolyten umfassen, so dass der Elektrolyt die Vielzahl von Salzteilchen auflöst, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein.
In einem Aspekt kann die dritte Porosität größer oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ein oder mehrere Lithiumsalze enthalten, die sich in einem oder mehreren Lösungsmitteln lösen, die aus 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL) und Sulfolan ausgewählt sind.
In einem Aspekt kann das Kalandrieren die Anwendung eines Drucks auf die elektroaktive Materialschicht und deren Erwärmung beinhalten.
In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialschicht auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 40 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C erhitzt werden.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner vor dem Kalandrieren der elektroaktiven Materialschicht das Trocknen der Aufschlämmung umfassen, um einen Träger zu entfernen, der die Vielzahl von schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen und die Vielzahl von Salzteilchen enthält.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Das Verfahren kann das Aufbringen eines Gemisches aus elektroaktivem Material auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors zur Bildung einer elektroaktiven Materialschicht mit einer ersten Porosität und das Kalandrieren der elektroaktiven Materialschicht umfassen, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist. Die erste Porosität kann größer sein als die zweite Porosität. Die elektroaktive Materialbeimischung kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Salzadditivteilchen enthalten. Die elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor können die schwefelhaltige Kathode definieren, die zur Aufnahme des Elektrolyten konfiguriert ist. Wenn der Elektrolyt aufgenommen wird, kann der Elektrolyt die Vielzahl der Salzteilchen auflösen, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein.
In einem Aspekt kann die erste Porosität größer oder gleich etwa 60 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 80 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein; die zweite Porosität kann größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 65 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein; und die dritte Porosität kann größer oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht sein.
In einem Aspekt kann die elektroaktive Materialbeimischung mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der Vielzahl von Salzadditivteilchen enthalten.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von Salzteilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumtriflat (LiCF₃SO₃), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann der Elektrolyt ein oder mehrere Lithiumsalze enthalten, die sich in einem oder mehreren Lösungsmitteln lösen, die aus 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL) und Sulfolan ausgewählt sind.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine schwefelhaltige Elektrode bereit. Die schwefelhaltige Elektrode kann einen Stromkollektor und eine Schicht aus schwefelbasierten elektroaktivem Material enthalten, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen des Stromkollektors angeordnet ist. Die Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 40 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Vol.-% aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batterie, die Lithiumionen zirkulieren lässt bzw. zyklisch bewegt;
2 ist ein schematisches Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer schwefelhaltigen Elektrode;
3A ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung von elektrochemischen Zellen, die schwefelhaltige Elektroden enthalten und gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden; und
3B ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung von elektrochemischen Vergleichszellen.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, 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 gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ 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 verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten 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 Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf‟, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden 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, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier 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 Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten 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. „Etwa“ 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). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als 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 Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Typische Lithiumionen- oder Lithium-Schwefel-Batterien umfassen oft eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode oder Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Elektrode oder Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen- und Lithium-Schwefel-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. 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. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in verschiedenen Aspekten in flüssiger, gelartiger oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Obwohl das dargestellte Beispiel eine einzelne positive Elektrode (z.B. Kathode) 24 und eine einzelne negative Elektrode (z.B. Anode) 22 umfasst, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen von elektrochemischen Zellen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren positiven Elektroden und einer oder mehreren negativen Elektroden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 26, der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann.
Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 positioniert sein, und ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist.
Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, 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 eine relativ größere Menge an Lithium als die positive Elektrode 24 enthält. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 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 verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 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. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum.
Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, 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 ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Lithiumionen-Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30, zum Beispiel innerhalb ihrer Poren, enthalten, 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 Gel-Form, der Lithiumionen zwischen den Elektroden 22, 24 leiten kann, kann in der Batterie 20 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In der Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen verwendet werden.
Geeignete Lithiumsalze haben im Allgemeinen inerte Anionen. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil),Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)) (LiODFB), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumtetrafluorooxalatophosphat (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, einschließlich, aber nicht beschränkt auf 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), y-Lactone (z.B. y-Butyrolacton, y-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL)), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon. In verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 0,5 M bis weniger als oder gleich etwa 4,0 M des einen oder der mehreren Lithiumsalze enthalten. In bestimmten Variationen, z.B. wenn der Elektrolyt eine Lithiumkonzentration von mehr als ca. 2 M oder ionische Flüssigkeiten aufweist, kann der Elektrolyt einen oder mehrere Verdünner, wie Fluorethylencarbonat (FEC) und/oder Hydrofluorether (HFE), enthalten.
Der Festkörperelektrolyt kann ein oder mehrere Festkörperelektrolytteilchen enthalten, die eine oder mehrere polymerbasierte Teilchen, oxidbasierte Teilchen, sulfidbasierte Teilchen, halidbasierte Teilchen, boratbasierte Teilchen, nitridbasierte Teilchen und hydridbasierte Teilchen enthalten können. Ein solcher Festkörperelektrolyt kann in einer Vielzahl von Schichten angeordnet sein, um eine dreidimensionale Struktur zu definieren, und in bestimmten Aspekten den Separator 26. In verschiedenen Aspekten können die polymerbasierten Teilchen mit einem Lithiumsalz vermischt sein, so dass sie als festes Lösungsmittel wirken.
In verschiedenen Aspekten können die oxidbasierten Teilchen eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom LISICON-Typ, Oxide vom NASICON-Typ und Keramiken vom Perowskit-Typ umfassen. Zum Beispiel können die eine oder mehreren Granatkeramiken aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_6,5La₃Zr_1,75Te_0,25O₁₂, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_6,2Ga_0,3La_2,95Rb_0,05Zr₂O₁₂, Li_6,85La_2,9Ca_0,1Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,25Al_0,25La₃Zr₂O₁₂, Li_6,75La₃Zr₁,₇₅Nb_0,25O₁₂ und Kombinationen davon. Das eine oder die mehreren Oxide vom LISICON-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li₁₄Zn(GeO₄)₄, Li_3+x(P_1-xSi_x)O₄ (wobei 0 < x < 1), Li_3+xGe_xV_1-xO₄ (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon. Das eine oder die mehreren Oxide vom NASICON-Typ 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 in bestimmten Variationen ein oder mehrere Oxide des NASICON-Typs aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (LAGP) (wobei 0 ≤ _X ≤ 2), Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1+xY_xZr_2-x(PO₄)₃ (LYZP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1,3Al_0,3Ti_1,7(PO₄)₃, LiTi₂(PO₄)₃, LiGeTi(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, LiHf₂(PO₄)₃ und Kombinationen davon. Die eine oder mehreren Keramiken vom Perowskit-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li_3,3La_0,53TiO₃, LiSr_1,65Zr_1,3Ta_1,7O₉, Li_2x-ySr_1-xTa_yZr_1-yO₃ (wobei x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li_3/8Sr_7/16Nb_3/4Zr_1/4O₃, Li_3xLa_(2/3-x)TiO₃ (wobei 0 < x < 0,25) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten können die polymerbasierten Teilchen ein oder mehrere polymerbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Polyethylenglykol, Polyethylenoxid (PEO), Poly(p-phenylenoxid) (PPO), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyvinylchlorid (PVC) und Kombinationen davon. Die sulfidbasierten Teilchen können ein oder mehrere sulfidbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂S-P₂S₅, Li₂S-P₂S₅-MS_x (wobei M Si, Ge und Sn ist und 0 ≤ x ≤ 2), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, Li₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, Li_10,35Si_1,35P_1,65S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2,19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li(Si_0,5Sn_0,5)P_sS₁₂, Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li₆PS₅X (wobei X Cl, Br, oder I ist), Li₇P₂S₈I, Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄, Li₁₀SnP₂S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, (1-x)P₂S₅-xLi₂S (wobei 0,5 ≤ x ≤ 0,7) und Kombinationen davon. Die halidbasierten Teilchen können ein oder mehrere halidbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂CdCl₄, Li₂MgCl₄, Li₂CdI₄, Li₂ZnI₄, Li₃0Cl, Lil, Li₅ZnI₄, Li₃OCl_1-xBr_x (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Aspekten können die boratbasierten Teilchen ein oder mehrere boratbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₂B₄O₇, Li₂O-(B₂O₃)-(P₂O₅) und Kombinationen davon. Die nitridbasierten Teilchen können ein oder mehrere nitridbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃N, Li₇PN₄, LiSi₂N₃, LiPON und Kombinationen davon. Die hydridbasierten Teilchen können ein oder mehrere hydridbasierte Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li₃AlH₆, LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei X eines von Cl, Br und I ist), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂ und Kombinationen davon. In noch weiteren Variationen kann der Elektrolyt 30 ein Quasifest-Elektrolyt sein, der ein Hybrid aus der oben beschriebenen nichtwässrigen flüssigen Elektrolytlösung und Festkörperelektrolytsystemen umfasst - z.B. mit einer oder mehreren ionischen Flüssigkeiten und einem oder mehreren Metalloxidteilchen, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂).
In verschiedenen Aspekten kann der Elektrolyt 30, beispielsweise als ein Festkörperelektrolyt, sowohl als Leiter für Lithiumionen als auch als Separator, z.B. Separator 26, dienen, so dass eine gesonderte Separatorkomponente nicht erforderlich ist. In verschiedenen anderen Aspekten kann der Separator 26 jedoch ein mikroporöser polymerer Separator sein, der z.B. ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In 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. Zu den kommerziell erhältlichen porösen Membranen gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind. Verschiedene andere herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können.
Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden.
Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid (Nylons), 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, Polyperfluorcyclobutane, Polyvinylidenfluorid-Copolymere (z.B. PVdF-Hexafluorpropylen oder (PVdF-HFP)), Polyvinylidenfluorid-Terpolymere, Polyvinylfluorid, flüssigkristalline Polymere (z.B. VECTRAN™ (Hoechst AG, Deutschland) und ZENITE® (DuPont, Wilmington, DE)), Polyaramide, Polyphenylenoxid, Zellulosematerialien, mesoporöses Siliciumdioxid oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem eine oder mehrere keramische Beschichtungsschichten und eine Beschichtung aus hitzebeständigem Material enthalten. Die keramische Beschichtungsschicht und/oder die Beschichtung aus hitzebeständigem Material 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 besteht aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
Die negative Elektrode 22 enthält in verschiedenen Aspekten ein Lithium-Wirtsmaterial, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 ein Lithium-Wirtsmaterial enthalten (z.B. negatives elektroaktives Material), das als negativer Anschluss der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten.
Die negative Elektrode 22 kann ein negatives elektroaktives Material auf Lithiumbasis enthalten, das z.B. ein Lithiummetall und/oder eine Lithiumlegierung umfasst. In anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten, das z.B. Silicium, eine Siliciumlegierung, Siliciumoxid oder Kombinationen davon umfasst und in bestimmten Fällen weiter mit Graphit gemischt werden kann. In noch anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 ein negatives elektroaktives Material sein, das eine kohlenstoffhaltige Anode ist, die z.B. ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien wie Graphit, Graphen und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) umfasst. In noch weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere Lithium aufnehmende negative elektroaktive Materialien, wie Lithium-Titanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), ein oder mehrere Übergangsmetalle (wie Zinn (Sn)), ein oder mehrere Metalloxide (wie Vanadiumoxid (V₂O₅), Zinnoxid (SnO), Titandioxid (TiO₂)), Titan-Nioboxid (Ti_xNb_yO_z, wobei 0 ≤ x ≤ 2, 0 ≤ y ≤ 24 und 0 ≤ z ≤ 64) und ein oder mehrere Metallsulfide (wie Eisen(II)- oder Eisensulfid (FeS)) umfassen. In verschiedenen Aspekten kann, wie unten weiter ausgeführt, das negative elektroaktive Material vorlithiiert sein.
In verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material in der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel kann das negative elektroaktive Material in der negativen Elektrode 22 optional mit Bindemitteln wie Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon vermischt sein. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Ruß, Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 enthalten mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
Die positive Elektrode 24 enthält in verschiedenen Aspekten ein positives elektroaktives Material auf Lithiumbasis, das in der Lage ist, Lithiumeinlagerung und -auslagerung, -Legieren und -Ablösen oder -Plattieren und -Abstreifen zu durchlaufen, während es als positiver Anschluss der Kondensatorbatterie 20 fungiert. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere schwefelhaltige positive elektroaktive Materialien enthalten, zum Beispiel eines oder mehrere von S, S₈, Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂ und Li₂S.
Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von Teilchen aus elektroaktivem Material definiert sein (in 1 nicht dargestellt, wie aber weiter unten im Zusammenhang mit 2 näher beschrieben). Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 40 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Vol.-%, und in bestimmten Aspekten optional von mehr als oder gleich etwa 50 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Vol.-% aufweisen. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in den Poren enthalten (nicht dargestellt). Die positive Elektrode 24 kann z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten.
Das positive elektroaktive Material der positiven Elektrode 24 kann in verschiedenen Aspekten mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel kann das positive elektroaktive Material in der positiven Elektrode 24 optional mit Bindemitteln wie Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Nitril-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. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Ruß, Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 enthalten mehr als oder gleich etwa 45 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 45 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 80 Gew.-%, des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 45 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 9 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 45 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer positiven Elektrode (z.B. Kathode) bereit, z.B. einer schwefelhaltigen positiven Elektrode 24, wie sie in 1 dargestellt ist. Das Verfahren kann beinhalten, dass ein elektroaktives Material auf oder in der Nähe eines Stromkollektors angeordnet wird, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden, und dass Druck und Wärme auf die elektroaktive Materialschicht angewendet werden, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist. Die erste Porosität kann größer sein als die zweite Porosität. Das elektroaktive Material kann eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und einen oder mehrere Salzadditive enthalten. Das Verfahren kann ferner das Inkontaktbringen der elektroaktiven Materialschicht und eines Elektrolyten umfassen, so dass der Elektrolyt die Vielzahl von einem oder mehreren Salzteilchen auflöst, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein.
Genauer gesagt kann, wie in 2 dargestellt, das Verfahren das Aufbringen einer elektroaktiven Materialmischung auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors 210 umfassen, um eine erste oder anfängliche elektroaktive Materialschicht 200 zu bilden. Zum Beispiel kann die elektroaktive Materialbeimischung auf oder in der Nähe einer ersten Oberfläche 212 des Stromkollektors 210 angeordnet werden. Die erste elektroaktive Materialschicht 200 kann eine erste Porosität aufweisen. Zum Beispiel kann die erste Porosität größer oder gleich etwa 60 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 80 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 65 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 75 Vol.-% der anfänglichen elektroaktiven Materialschicht 200 sein.
Die Beimischung des elektroaktiven Materials kann eine Aufschlämmung sein, die z.B. eine Vielzahl von schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen 220 und eine Vielzahl von Salzadditivteilchen 230 und in bestimmten Aspekten außerdem einen Träger oder ein Lösungsmittel enthält. In verschiedenen Aspekten kann die Aufschlämmung optional das eine oder die mehreren elektrisch leitfähigen Materialien und/oder das mindestens eine polymere Bindemittelmaterial enthalten. Die verschiedenen anderen Komponenten oder Elemente der Beimischung können in dem Träger oder Lösungsmittel löslich oder unlöslich sein. Die anfängliche elektroaktive Materialschicht 200 kann durch Trocknen der Aufschlämmung gebildet werden, z.B. durch Verflüchtigen oder Verdampfen des Trägers oder Lösungsmittels.
Die elektroaktive Materialbeimischung kann mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-%, der schwefelhaltigen Teilchen des elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, der Vielzahl der Salzadditivteilchen enthalten. Eine Menge der Vielzahl von Salzadditivteilchen von mehr als etwa 50 Gew.-% kann das Eigengewicht der geformten Elektrode 280 erhöhen, während eine Menge der Vielzahl von Salzadditivteilchen von weniger als etwa 5 Gew.-% möglicherweise keine ausreichende Porosität liefert, wie weiter unten beschrieben.
In verschiedenen Aspekten kann die Vielzahl von Salzadditivteilchen 230 entlang der freiliegenden Oberflächen der schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen 220 angeordnet sein. Die schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen 220 können ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: S, S₈, Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂, Li₂S und Kombinationen davon. Die Mehrzahl der Salzadditivteilchen 230 kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumtriflat (LiCF₃SO₃), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumiodid (Lil),Lithiumbromid (LiBr), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂)und Kombinationen davon.
Wiederum gemäß 2 kann das Verfahren ferner die Ausübung eines Drucks auf die anfängliche elektroaktive Materialschicht 200 zur Verfestigung oder Verdichtung umfassen, beispielsweise das Kalandrieren der anfänglichen elektroaktiven Materialschicht 200 zwischen einer ebenen Oberfläche und einer Walze oder zwischen zwei Walzen, um eine intermediäre oder zweite elektroaktive Materialschicht 202 mit einer zweiten Porosität zu bilden. Die zweite Porosität ist niedriger als die erste Porosität. Beispielsweise kann die zweite Porosität größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 65 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 55 Vol.-% der intermediären elektroaktiven Materialschicht 202 sein.
In verschiedenen Aspekten kann der Druck, der auf die erste elektroaktive Materialschicht 200 ausgeübt wird, durch ein Walzenpressverfahren mit kontrolliertem Spalt aufgebracht werden. In verschiedenen Aspekten kann das Ausüben des Drucks auf die ursprüngliche elektroaktive Materialschicht 200 außerdem das Beaufschlagen der anfänglichen elektroaktiven Materialschicht 200 mit Wärme beinhalten. Beispielsweise kann die anfängliche elektroaktive Materialschicht 200 auf eine Temperatur von größer oder gleich etwa 40 °C bis kleiner oder gleich etwa 100 °C, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 50 °C bis kleiner oder gleich etwa 80 °C, erhitzt werden.
In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren ferner das Inkontaktbringen der intermediären elektroaktiven Materialschicht 202 mit einem Elektrolyten 240 umfassen, so dass der Elektrolyt 240 die Vielzahl von Salzadditivteilchen 230 auflöst, um eine endgültige oder dritte elektroaktive Materialschicht 204 mit einer dritten Porosität zu bilden. Die dritte Porosität kann größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität sein. Beispielsweise kann die dritte Porosität größer oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 70 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 50 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 60 Vol.-% der endgültigen elektroaktiven Materialschicht 204 sein. Der Elektrolyt 240 kann ähnlich wie der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. Beispielsweise kann der Elektrolyt 240 ein oder mehrere Lithiumsalze enthalten, die sich in Kettenstrukturethern (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclischen Ethern (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL)), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon lösen.
Die endgültige elektroaktive Materialschicht 204 und der Stromkollektor 210 können eine schwefelhaltige positive Elektrode definieren. Wie in den folgenden Beispielen weiter veranschaulicht, kann das Bereitstellen der Vielzahl von Salzadditivteilchen 230, die anschließend aufgelöst werden können, wenn ein Elektrolyt 240 in die zweite elektroaktive Materialschicht 202 eingebracht oder mit ihr in Kontakt gebracht wird, die Benetzbarkeit der Elektrode und damit die Schwefelausnutzung verbessern.
BEISPIELE
Ausführungsformen und Merkmale der vorliegenden Technologie werden anhand der folgenden nicht einschränkenden Beispiele näher erläutert:

Ein Beispiel für eine schwefelhaltige Elektrode wird in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt. Zum Beispiel wird die Elektrode unter Verwendung einer Vielzahl von Salzadditivteilchen, wie Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂, und eines Kalandrierverfahrens hergestellt, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer Porosität größer oder gleich etwa 30 Vol.-% bis weniger oder gleich etwa 65 Vol.-% zu bilden. Die Elektrode kann mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Salzadditivteilchen enthalten. Die schwefelhaltige Elektrode kann in elektrochemische Zellen eingebaut werden, zum Beispiel in die in 1 dargestellte Batterie 20.

Wie in 3A dargestellt, haben die elektrochemischen Beispielzellen 310, 320 mit der schwefelhaltigen Elektrode, die in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden, eine verbesserte Kapazitätserhaltung und Langzeitleistung, insbesondere im Vergleich zu den elektrochemischen Vergleichsbasiszellen 350, 360, 370, die in 3B dargestellt sind. Die y-Achse 312 in 3A stellt die spezifische Kapazität (mAh/g) dar, während die Zyklenzahl auf der x-Achse 316 gezeigt wird. Die y-Achse 352 in 3B stellt die spezifische Kapazität (mAh/g) dar, während die Zyklenzahl auf der x-Achse 356 gezeigt wird. Zum Beispiel kann die elektrochemische Beispielzelle 310 mit einer schwefelhaltigen Elektrode, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und eine Porosität von etwa 50 Vol.-% aufweist, eine Verbesserung der Kapazitätserhaltung von etwa 300 % im Vergleich zu den elektrochemischen Basiszellen 350, 360, 370 aufweisen. Die elektrochemische Beispielzelle 320 mit einer schwefelhaltigen Elektrode, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde und eine Porosität von etwa 65 Vol.-% aufweist, kann eine Verbesserung der Kapazitätserhaltung von mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 10 % im Vergleich zu den in 3B dargestellten elektrochemischen Vergleichsbasiszellen 350, 360, 370 aufweisen. Die elektrochemische Basiszelle 350 hat eine schwefelhaltige Elektrode mit einer Porosität von etwa 50 %. Die elektrochemische Basiszelle 360 hat eine schwefelhaltige Elektrode mit einer Porosität von etwa 60 %. Die elektrochemische Basiszelle 370 hat eine schwefelhaltige Elektrode mit einer Porosität von etwa 70 %.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer schwefelhaltigen Elektrode, die zur Aufnahme eines Elektrolyten konfiguriert ist, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen einer elektroaktiven Materialbeimischung auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen eines Stromkollektors, um eine elektroaktive Materialschicht mit einer ersten Porosität zu bilden, wobei die elektroaktive Materialbeimischung eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und eine Vielzahl von Salzadditivteilchen umfasst; und Ausüben von Druck auf die elektroaktive Materialschicht, so dass die elektroaktive Materialschicht eine zweite Porosität aufweist, wobei die erste Porosität größer ist als die zweite Porosität und die elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor die schwefelhaltige Kathode definieren, die zur Aufnahme des Elektrolyten konfiguriert ist, wobei, wenn der Elektrolyt aufgenommen wird, der Elektrolyt die Vielzahl von Salzteilchen auflöst, so dass die elektroaktive Materialschicht eine dritte Porosität aufweist, wobei die dritte Porosität größer als die zweite Porosität und kleiner als die erste Porosität ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Porosität größer als oder gleich etwa 60 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 80 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht ist; die zweite Porosität größer als oder gleich etwa 30 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 65 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht ist; und die dritte Porosität größer als oder gleich etwa 40 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 70 Vol.-% der elektroaktiven Materialschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialbeimischung mehr als oder gleich etwa 70 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% der Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen und mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% der Vielzahl von Salzadditivteilchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Salzteilchen aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumfluorsulfonylimid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumtriflat (LiCF₃SO₃), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumiodid (Lil),Lithiumbromid (LiBr), Lithiumbis(trifluormethansulfonimid) (LiTFSI) (LiN(CF₃SO₂)₂)und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt ein oder mehrere Lithiumsalze umfasst, die sich in einem oder mehreren Lösungsmitteln, ausgewählt aus 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan (DOL) und Sulfolan, auflösen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausüben von Druck einen Kalandrierungsprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausüben von Druck ferner das Beaufschlagen der elektroaktiven Materialschicht mit Wärme umfasst und die elektroaktive Materialschicht auf mehr als oder gleich etwa 40 °C bis weniger als oder gleich etwa 100 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektroaktive Materialbeimischung eine Aufschlämmung ist und das Verfahren ferner vor dem Ausüben von Druck das Trocknen der Aufschlämmung umfasst, um einen Träger zu entfernen, der die Vielzahl von schwefelbasierten elektroaktiven Materialteilchen und die Vielzahl von Salzteilchen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes elektroaktive Materialteilchen der Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen eines oder mehrere von S, S₈, Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂ und Li₂S umfasst.