DE102021101050A1 - Anode active material and lithium ion battery with the anode active material - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Anodenaktivmaterial für eine Lithiumionen-Batterie (10) angegeben, das eine Vielzahl von Partikeln (11) aufweist, wobei die Partikel (11) jeweils einen Kern (12) aufweisen, der Silizium enthält. Auf dem Kern (12) ist eine Oberflächenstruktur (13) angeordnet, die den Kern (12) nur teilweise bedeckt, wobei die Oberflächenstruktur (13) ein Material aufweist, das ein Lithiumionenleiter und/oder ein Elektronenleiter ist.An anode active material for a lithium-ion battery (10) is specified, which has a multiplicity of particles (11), the particles (11) each having a core (12) which contains silicon. A surface structure (13) is arranged on the core (12) and only partially covers the core (12), the surface structure (13) having a material which is a lithium ion conductor and/or an electron conductor.
Description
Die Erfindung betrifft ein Anodenaktivmaterial für eine Lithiumionen-Batterie und eine Lithiumionen-Batterie mit einem solchen Anodenaktivmaterial.The invention relates to an anode active material for a lithium-ion battery and a lithium-ion battery with such an anode active material.
Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie-Zelle, Lithium-Batterie, Lithiumionen-Batterie-Zelle, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithium-Polymer-Batterie und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Batterie-Zelle“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.In the following, the term "lithium ion battery" is used synonymously for all terms commonly used in the prior art for galvanic elements and cells containing lithium, such as lithium battery cell, lithium battery, lithium ion battery cell, lithium cell, Lithium ion cell, lithium polymer cell, lithium polymer battery and lithium ion accumulator. Specifically, rechargeable batteries (secondary batteries) are included. The terms "battery" and "electrochemical cell" are also used synonymously with the terms "lithium ion battery" and "lithium ion battery cell". The lithium-ion battery can also be a solid-state battery, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery.
Eine Lithiumionen-Batterie hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen.A lithium ion battery has at least two distinct electrodes, a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode). Each of these electrodes includes at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives.
Als Anodenaktivmaterial wird in Lithiumionen-Batterien derzeit typischerweise Graphit eingesetzt. Eine Erhöhung der Energiedichte bzw. der spezifischen Energie ist durch den Einsatz von Silizium-basierten Anodenaktivmaterialien möglich. Dies ist insbesondere für die Verwendung in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen von Vorteil, um die Reichweite zu erhöhen. Es hat sich aber herausgestellt, das Silizium-basierte Anodenaktivmaterialien eine starke Volumenänderung bei der Aufnahme von Lithiumionen (Laden der Batterie) und der Abgabe von Lithiumionen (Entladen der Batterie) aufweisen. Die starke Volumenänderung kann sich negativ auf die mechanische Stabilität und Integrität auswirken. Um die mechanische Stabilität der Anode zu verbessern, kann der Anteil eines Elektrodenbinders am Material der Anode erhöht werden. Allerdings kann sich dadurch die Leitfähigkeit der Anode und damit die Performance der Batteriezelle vermindern. Durch einen erhöhten Einsatz von Elektrodenbinder wird auch die spez. Energie bzw. Energiedichte reduziert.Graphite is currently typically used as an anode active material in lithium-ion batteries. An increase in the energy density or the specific energy is possible through the use of silicon-based anode active materials. This is particularly advantageous for use in electrically operated motor vehicles in order to increase the range. However, it has been found that silicon-based anode active materials exhibit a strong change in volume when lithium ions are taken up (battery charging) and lithium ions are released (battery discharging). The large change in volume can have a negative impact on mechanical stability and integrity. In order to improve the mechanical stability of the anode, the proportion of an electrode binder in the anode material can be increased. However, this can reduce the conductivity of the anode and thus the performance of the battery cell. With an increased use of electrode binders, the spec. Reduced energy or energy density.
Eine zu lösende Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Anodenaktivmaterial für eine Lithiumionen-Batterie zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine hohe spezifische Energie und Energiedichte und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit auszeichnet.A problem to be solved by the invention consists in making available an anode active material for a lithium-ion battery which is characterized by a high specific energy and energy density and, at the same time, a high conductivity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Anodenaktivmaterial gemäß dem unabhängigen Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an anode active material according to the independent patent claim. Advantageous refinements and developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Anodenaktivmaterial eine Vielzahl von Partikeln, die jeweils einen Kern aufweisen, wobei der Kern Silizium enthält. Der Kern enthält vorzugsweise von einschließlich 3 Gew.-% bis einschließlich 100 Gew.-% Silizium. Der Kern kann beispielsweise Silizium, eine Silizium-Legierung, ein Silizium-Sub-Oxid („SiO“) oder ein Silizium-Komposit (z. B. ein Silizium-Kohlenstoff-Komposit) aufweisen. Neben dem Silizium-basierten Anteil kann der Kern beispielsweise Kohlenstoff, insbesondere Graphit, enthalten.According to one embodiment of the invention, the anode active material comprises a multiplicity of particles, each of which has a core, the core containing silicon. The core preferably contains from 3% to 100% by weight inclusive of silicon. For example, the core may include silicon, a silicon alloy, a silicon sub-oxide ("SiO"), or a silicon composite (e.g., a silicon-carbon composite). In addition to the silicon-based component, the core can contain carbon, in particular graphite, for example.
Der Kern der Partikel ist zum Beispiel zumindest näherungsweise kugelförmig. Auf dem Kern ist eine Oberflächenstruktur angeordnet, die den Kern nur teilweise bedeckt. Der Kern ist insbesondere nicht vollständig von dem Material, dass die Oberflächenstruktur ausbildet, umhüllt. Vielmehr bildet die Oberflächenstruktur eine dreidimensionale Struktur aus, die sich von dem Kern aus nach außen erstreckt. Die Oberflächenstruktur weist ein Material auf, das ein Lithiumionenleiter oder ein Elektronenleiter ist.The core of the particles is, for example, at least approximately spherical. A surface structure is arranged on the core, which only partially covers the core. In particular, the core is not completely enveloped by the material that forms the surface structure. Rather, the surface structure forms a three-dimensional structure that extends outwards from the core. The surface structure has a material that is a lithium ion conductor or an electron conductor.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgenden Überlegungen: Mit Silizium-basierten Anodenmaterialien können in Lithiumionen-Batterien höhere Energiedichten bzw. spezifische Energien erzielt werden als zum Beispiel mit Graphit, das herkömmlicherweise eingesetzt wird. Allerdings weisen Silizium-basierte Materialien eine vergleichsweise hohe Volumenänderung bei der Aufnahme oder der Abgabe von Lithiumionen auf. Dies kann ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu einem teilweisen Ablösen des Anodenaktivmaterials von einer Stromkollektorfolie, typischerweise einer Kupferfolie, führen. Auch mikroskopische Abkopplungen zu einem elektrischen Leitmaterial (z.B. Leitruß) können auftreten, was zur Verringerung der Strombelastbarkeit führt. Um dies zu vermeiden, kann der Anteil eines Elektrodenbinders, in den die Partikel des Anodenaktivmaterials eigebettet sind, erhöht werden. Ein höherer Anteil des Elektrodenbinders am Material der Anode führt andererseits aber auch zu einer geringeren Leitfähigkeit für Lithiumionen und Elektronen. Bei dem hier vorgeschlagenen Anodenaktivmaterial wird die Leitfähigkeit der Anode für Lithiumionen oder Elektronen dadurch erhöht, dass die Partikel des Anodenaktivmaterials jeweils eine Oberflächenstruktur aufweisen und die Oberflächenstruktur ein Material aufweist, das ein Lithiumionenleiter oder ein Elektronenleiter ist. Die Oberflächenstruktur ist insbesondere eine 3D-Struktur, die ausgehend von dem Kern der Partikel den Elektrodenbinder durchdringt, in den die Partikel eingebettet sind. Der Kern der Partikel kann teilweise an den Elektrodenbinder angrenzen und ist teilweise von der Oberflächenstruktur bedeckt, die den Elektrodenbinder durchdringt und so leitfähige „Kanäle“ für Lithiumionen oder Elektronen ausbildet.The invention is based in particular on the following considerations: With silicon-based anode materials, higher energy densities or specific energies can be achieved in lithium-ion batteries than, for example, with graphite, which is conventionally used. However, silicon-based materials exhibit a comparatively high volume change when lithium ions are taken up or released. Without suitable countermeasures, this can lead to a partial detachment of the anode active material from a current collector foil, typically a copper foil. Microscopic decoupling to an electrically conductive material (e.g. conductive soot) can also occur, which leads to a reduction in the current carrying capacity. In order to avoid this, the proportion of an electrode binder in which the particles of the anode active material are embedded can be increased. On the other hand, a higher proportion of the electrode binder in the anode material also leads to lower conductivity for lithium ions and electrons. With the anode active material proposed here, the conductivity of the anode for lithium ions or electrons is increased in that the particles of the anode active material each have a surface structure and the surface structure has a material that is a lithium ion conductor or an electron conductor. The surface structure is, in particular, a 3D structure which, starting from the core of the particles, passes through the electrode binder penetrates in which the particles are embedded. The core of the particles may partially abut the electrode binder and is partially covered by the surface structure that penetrates the electrode binder to form conductive "channels" for lithium ions or electrons.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material der Oberflächenstruktur ein Lithiumionenleiter. Der Lithiumionenleiter kann insbesondere ein Material mit Granatstruktur, ein Material mit Perowskitstruktur, ein Sulfid oder ein Polymer aufweisen. Ein geeignetes Material mit Granatstruktur ist beispielsweise in Li7La3Zr2O12. Neben Materialien mit Granatstruktur kommen auch Perowskite, Sulfide und Oxide in Betracht. Besonders in Betracht kommen Strukturen, die abgeleitet sind von LISICON (Lithium (LI) Super (S) lonic (I) Conductor (CON)), beispielsweise Thio-LISICON Li4-xM1-yM'yS4 mit M = Si, Ge, P, und M' = P, AI, Zn, Ga, Sb, oder NASISCON (Sodium (Na) Super (S) lonic (I) Conductor (CON)) der allgemeinen Formel AMM'P3O12 mit A = Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, sr2+, Ba2+, H+, H3O+, NH4+, Cu+, Ag+, Pb2+, Cd2+, Mn2+, Co2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Al3+, Ln3+, Ge4+, Zr4+, Hf4+ oder unbesetzt, M und M' = di-, tri-, tetra- oder pentavalente Übergangsmetallionen ausgewählt aus der Gruppe Zn2+, Cd2+, Ni2+, Mn2+, Co2+, Fe3+, Sc3+, Ti3+, V3+, Al3+, In3+, Ga3+, Y3+, Lu3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, Sn4+, Si4+, Ge4+, V5+, Nb5+, Ta5+, Sb5+, As5+, wobei Phosphor auch teilweise durch Si oder As substituiert sein kann.According to one embodiment of the invention, the material of the surface structure is a lithium ion conductor. The lithium ion conductor can in particular have a material with a garnet structure, a material with a perovskite structure, a sulfide or a polymer. A suitable material with a garnet structure is, for example, in Li 7 La 3 Zr 2 O 12 . In addition to materials with a garnet structure, perovskites, sulfides and oxides can also be used. Particularly suitable structures are those derived from LISICON (Lithium (LI) Super (S) ionic (I) Conductor (CON)), for example Thio-LISICON Li 4-x M 1-y M' y S 4 with M = Si, Ge, P, and M' = P, Al, Zn, Ga, Sb, or NASISCON (Sodium (Na) Super (S) ionic (I) Conductor (CON)) of the general formula AMM'P 3 O 12 with A = Li+, Na + , K + , Rb + , Cs + , Mg 2+ , Ca 2+ , sr 2+ , Ba 2+ , H + , H 3 O + , NH 4+ , Cu + , Ag + , Pb 2+ , Cd 2+ , Mn 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Al 3+ , Ln 3+ , Ge 4+ , Zr 4+ , Hf 4 + or unoccupied, M and M' = di-, tri-, tetra- or pentavalent transition metal ions selected from the group Zn 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , Mn 2+ , Co 2+ , Fe 3+ , Sc 3 + , Ti 3+ , V 3+ , Al 3+ , In 3+ , Ga 3+ , Y 3+ , Lu 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , Sn 4+ , Si 4+ , Ge 4+ , V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ , Sb 5+ , As 5+ , it also being possible for phosphorus to be partially substituted by Si or As.
Ein als Lithiumionenleiter geeignetes Polymer ist beispielsweise ein auf Polyethylenoxid (PEO) basierender Polymer-Elektrolyt. Solche PEO-basierte Elektrolyte sind an sich beispielsweise aus der Druckschrift Z. Xue et al., „Poly(ethylene oxide)-based electrolytes for lithiumion batteries“, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 19218, bekannt. Der auf Polyethylenoxid (PEO) basierende Polymer-Elektrolyt enthält ein Lithium-Leitsalz wie zum Beispiel Lithium-tetra-borat (LiBF4). Weitere Polymer-basierte Lithiumionenleiter sind dem Fachmann beispielsweise aus der Patentschrift
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material der Oberflächenstruktur ein Elektronenleiter. Der Elektronenleiter kann insbesondere ein Kohlenstoff-basiertes Material aufweisen, zum Beispiel Ruß (Carbon Black), Softcarbon, Hardcarbon, Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphit, Graphen oder Kohlenstofffasern.According to one embodiment of the invention, the material of the surface structure is an electron conductor. The electron conductor can in particular have a carbon-based material, for example soot (carbon black), soft carbon, hard carbon, carbon nanotubes, graphite, graphene or carbon fibers.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Oberflächenstruktur eine Faser- oder Röhrenform auf. Die Fasern oder Röhren bilden vorteilhaft leitende Kanäle für Lithiumionen oder Elektronen aus. Langgestreckte Formen wie Fasern oder Röhren sind hierzu besonderes geeignet. Die Fasern oder Röhren weisen vorzugsweise eine Länge von einschließlich 10 nm bis einschließlich 10 µm, bevorzugt von einschließlich 25 nm bis einschließlich 5 µm, auf.In a preferred embodiment, the surface structure is in the form of fibers or tubes. The fibers or tubes advantageously form conductive channels for lithium ions or electrons. Elongated shapes such as fibers or tubes are particularly suitable for this. The fibers or tubes preferably have a length of 10 nm up to and including 10 μm, preferably of 25 nm up to and including 5 μm.
Der Kern der Partikel weist vorzugsweise einen Durchmesser von einschließlich 20 nm bis einschließlich 50 µm auf. Bevorzugt beträgt der Durchmesser von einschließlich 100 nm bis einschließlich 20 µm.The core of the particles preferably has a diameter of 20 nm up to and including 50 μm. The diameter is preferably from 100 nm up to and including 20 μm.
Die Oberflächenstruktur kann zum Beispiel mit einem der folgenden Verfahren hergestellt werden: elektrostatische Abscheidung, Nanokleben, Sputtern, Vakuumabscheidung, Sintern, Sprühbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung.The surface structure can be produced, for example, using one of the following methods: electrostatic deposition, nano-gluing, sputtering, vacuum deposition, sintering, spray coating, electrophoretic deposition.
Die Partikel des Anodenaktivmaterials sind vorteilhaft in einen Elektrodenbinder eingebunden, wobei der Kern der Partikel bereichsweise an den Elektrodenbinder angrenzt und sich die Oberflächenstruktur ausgehend von dem Kern in den Elektrodenbinder erstreckt. Durch die Oberflächenstruktur kann eine geringe Leitfähigkeit des Elektrodenbinders für Lithiumionen oder Elektronen ganz oder teilweise kompensiert werden.The particles of the anode active material are advantageously incorporated into an electrode binder, with the core of the particles adjoining the electrode binder in some areas and the surface structure extending from the core into the electrode binder. A low conductivity of the electrode binder for lithium ions or electrons can be fully or partially compensated for by the surface structure.
Es wird weiterhin eine Lithiumionen-Batterie vorgeschlagen, die eine Anode mit dem zuvor beschriebenen Anodenaktivmaterial aufweist. Die Anode kann beispielsweise aus einer Beschichtungsmasse hergestellt werden, die das Anodenaktivmaterial, Elektrodenbinder und ein Träger-Lösemittel enthält. Das Anodenaktivmaterial ist in der Lithiumionenbatterie vorzugsweise auf einer Kupferfolie angeordnet.A lithium-ion battery is also proposed, which has an anode with the anode active material described above. The anode can be made, for example, from a coating composition containing the anode active material, electrode binder and a carrier solvent. The anode active material is preferably arranged on a copper foil in the lithium ion battery.
Die Lithiumionen-Batterie kann beispielsweise nur eine einzelne Batteriezelle umfassen oder alternativ ein oder mehrere Module mit mehreren Batteriezellen umfassen, wobei die Batteriezellen in Serie und/oder parallel geschaltet sein können. Die Lithiumionen-Batterie umfasst mindestens eine Anode, die das Anodenaktivmaterial aufweist, und eine Kathode, die mindestens ein Kathodenaktivmaterial aufweist. Weiterhin kann die Lithiumionenbatterie die an sich bekannten weiteren Bestandteile einer Lithiumionen-Batterie aufweisen, insbesondere Stromkollektoren, einen Separator und einen Elektrolyten.The lithium-ion battery can, for example, only include a single battery cell or alternatively include one or more modules with multiple battery cells, it being possible for the battery cells to be connected in series and/or in parallel. The lithium ion battery includes at least an anode having the anode active material and a cathode having at least a cathode active material. Furthermore, the lithium-ion battery can have the other components of a lithium-ion battery known per se, in particular current collectors, a separator and an electrolyte.
Die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder in einem tragbaren Gerät vorgesehen sein. Das tragbare Gerät kann insbesondere ein Smartphone, ein Elektrowerkzeug bzw. Powertool, ein Tablet oder ein Wearable sein. Alternativ kann die Lithiumionen-Batterie auch in einem stationären Energiespeicher eingesetzt werden.The lithium ion battery according to the invention can be provided in particular in a motor vehicle or in a portable device. The portable device can in particular be a smartphone, an electric tool or power tool, a tablet or a wearable. Alternatively, the lithium-ion battery can also be used in a stationary energy store.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren.Further advantages and properties of the invention result from the following description of an exemplary embodiment in connection with the figures.
Im Einzelnen zeigen schematisch
-
1 den Aufbau einer Lithium-Ionenbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel, und -
2 ein Partikel des Anodenaktivmaterials bei dem Ausführungsbeispiel.
-
1 the structure of a lithium-ion battery according to an embodiment, and -
2 a particle of the anode active material in the embodiment.
Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.The components shown and the proportions of the components among one another are not to be regarded as true to scale.
Die in
Die Kathode 2 und die Anode 5 sind durch einen für Lithiumionen durchlässigen, aber für Elektronen undurchlässigen Separator 4 voneinander getrennt. Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Der Separator kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al2O3.The
Zudem weist die Lithiumionen-Batterie einen Elektrolyten 3 auf, der leitend für Lithiumionen ist und der ein Feststoffelektrolyt oder eine Flüssigkeit sein kann, die ein Lösungsmittel und zumindest ein darin gelöstes Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithium-Hexafluorophosphat (LiPF6), umfasst. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise inert. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise organische Lösungsmittel wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Butylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Fluorethylencarbonat (FEC), Sulfolane, 2-Methyltetrahydrofuran, Acetonitril und 1,3-Dioxolan. Als Lösungsmittel können auch ionische Flüssigkeiten verwendet werden. Solche ionischen Flüssigkeiten enthalten ausschließlich Ionen. Bevorzugte Kationen, die insbesondere alkyliert sein können, sind Imidazolium-, Pyridinium-, Pyrrolidinium-, Guanidinium-, Uronium-, Thiuronium-, Piperidinium-, Morpholinium-, Sulfonium-, Ammonium- und Phosphonium-Kationen. Beispiele für verwendbare Anionen sind Halogenid-, Tetrafluoroborat-, Trifluoracetat-, Triflat-, Hexafluorophosphat-, Phosphinat- und Tosylat-Anionen. Als beispielhafte ionische Flüssigkeiten seien genannt: N-Methyl-N-propyl-piperidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid, N-Methyl-N-butyl-pyrrolidinium-bis(tri-fluormethyl-sulfonyl)imid, N-Butyl-N-trimethyl-ammonium-bis(trifluormethyl-sulfonyl)imid, Triethylsulfonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)-ammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)-imid. In einer Variante können zwei oder mehrere der oben genannten Flüssigkeiten verwendet werden. Bevorzugte Leitsalze sind Lithiumsalze, welche inerte Anionen aufweisen und welche vorzugsweise nicht toxisch sind. Geeignete Lithiumsalze sind insbesondere Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) und Mischungen dieser Salze. Der Separator 4 kann mit dem Lithiumsalz-Elektrolyt getränkt bzw. benetzt sein, wenn dieser flüssig ist.In addition, the lithium ion battery has an
Die Kathode 2 weist ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP, LiFePO4) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).The
Die Anode 5 weist ein Anodenaktivmaterial auf. Das Anodenaktivmaterial weist eine Vielzahl von Partikeln auf, die in einen Elektrodenbinder eingebunden sind. Ein Partikel 11 des Anodenaktivmaterials ist in
Auf dem Kern der Partikel 11 des Anodenaktivmaterials ist jeweils eine Oberflächenstruktur 13 angeordnet, die vorzugsweise eine langgestreckte Form, insbesondere eine Faser- oder Röhrenform aufweist. Die Oberflächenstruktur 13 bedeckt den Kern der Partikel 11 jeweils nur teilweise. Die Oberflächenstruktur 13 kann einen Elektrodenbinder 14 durchdringen, in den die Partikel 11 eingebettet sind. Die Oberflächenstruktur 13 bildet so kanalartige Leitstrukturen aus, die in Abhängigkeit von dem Material der Oberflächenstruktur 13 einen Lithiumionenleiter oder einen Elektronenleiter ausbilden können.A
Zur Ausbildung eines Lithiumionenleiters kann die Oberflächenstruktur 13 insbesondere ein Material mit Granatstruktur, ein Material mit Perowskitstruktur, ein Sulfid oder ein Polymer aufweisen. Das Polymer ist in diesem Fall beispielsweise ein auf Polyethylenoxid (PEO) basierendes Polymer-Elektrolyt. Durch die Oberflächenstruktur 13 auf den Kernen 12 der Partikel 11 wird bei dieser Ausgestaltung erreicht, dass die Lithiumionen-Leitung zwischen dem Elektrolyt 3 der Lithiumionen-Batterie 10 und dem Anodenaktivmaterial verbessert wird.In order to form a lithium ion conductor, the
Zur Herstellung der Oberflächenstruktur 13 der Partikel können elektrostatische Abscheidung, Nanokleben, Sputtern, Vakuumabscheidung, Sintern, Sprühbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung oder mechanische Verfahren eingesetzt werden.Electrostatic deposition, nano-gluing, sputtering, vacuum deposition, sintering, spray coating, electrophoretic deposition or mechanical methods can be used to produce the
Zur Ausbildung eines Elektronenleiters kann die Oberflächenstruktur 13 ein Kohlenstoff enthaltenden Material, insbesondere Ruß (Carbon Black), Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphit, Graphen oder Kohlenstofffasern aufweisen. Durch die Oberflächenstruktur 13 auf den Kernen 12 der Partikel 11 wird bei dieser Ausgestaltung erreicht, dass die Elektronenleitung zwischen dem Stromkollektor 6 und dem Anodenaktivmaterial verbessert wird.In order to form an electron conductor, the
Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail using exemplary embodiments, the invention is not restricted by the exemplary embodiments. On the contrary, other variations of the invention can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention as defined by the claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Stromkollektorcurrent collector
- 22
- Kathodecathode
- 33
- Elektrolytelectrolyte
- 44
- Separatorseparator
- 55
- Anodeanode
- 66
- Stromkollektorcurrent collector
- 1010
- Lithium-IonenbatterieLithium Ion Battery
- 1111
- Partikelparticles
- 1212
- Kerncore
- 1313
- Oberflächenstruktursurface texture
- 1414
- Elektrodenbinderelectrode ties
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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- US 5523180 A [0011]US5523180A [0011]
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