DE102021105975A1

DE102021105975A1 - Vorlithiierung von batterieelektrodenmaterial

Info

Publication number: DE102021105975A1
Application number: DE102021105975.5A
Authority: DE
Inventors: Andrew C. Bobel; Anil K. Sachdev; Jeffrey D. Cain; Leng Mao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US20210408517A1; CN113851605A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer vorlithiierten Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit einer vorlithiierten Elektrode und ein Elektrofahrzeug mit einer vorlithiierten Elektrode sind vorgesehen. Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer vorlithiierten Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst das elektrochemische Verbinden einer Magnesium-Lithium-Legierung mit der Elektrode. Ferner umfasst das Verfahren das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode. Außerdem umfasst das Verfahren das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode.

Description

Das technische Gebiet bezieht sich im Allgemeinen auf Lithium-Ionen-Batteriezellen und im Besonderen auf das Vorlithiieren von Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien.
Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Konsumgütern verwendet werden, z. B. in Unterhaltungselektronik, Elektrowerkzeugen, Rasen- und Gartengeräten, motorisierten Rollstühlen, Spielzeugen und im Transportwesen. Eine beispielhafte Verwendung im Transportwesen umfasst Fahrzeuge, wie Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und Elektrofahrzeuge (EVs). Typische Lithium-Ionen-Batterien umfassen eine erste Elektrode (z.B. einer Kathode), eine zweite Elektrode (z.B. eine Anode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Oft wird ein Stapel von Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien funktionieren, indem Lithium-Ionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode übertragen werden. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode sind ein Separator und ein Elektrolyt angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Lithium-Ionen bewegen sich beim Laden der Batterie von einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung. Der Einfachheit halber wird eine negative Elektrode synonym mit einer Anode verwendet, obwohl, wie von Fachleuten erkannt, während bestimmter Phasen des Lithium-Ionen-Zyklus die Anodenfunktion eher mit der positiven als mit der negativen Elektrode verbunden sein kann (z. B. kann die negative Elektrode beim Entladen eine Anode und beim Laden eine Kathode sein).
Durch den Kontakt der Anoden- und Kathodenmaterialien mit dem Elektrolyten kann ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden entstehen. Wenn in einem externen Stromkreis zwischen den Elektroden ein Elektronenstrom erzeugt wird, wird das Potenzial durch elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zellen der Batterie aufrechterhalten. Jede der negativen und positiven Elektroden innerhalb eines Stapels ist mit einem Stromkollektor verbunden (typischerweise ein Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode). Während des Batteriebetriebs sind die zu den beiden Elektroden gehörenden Stromkollektoren durch einen externen Stromkreis verbunden, der den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport von Lithium-Ionen zu kompensieren.
Viele verschiedene Materialien können verwendet werden, um Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie herzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel umfassen Kathodenmaterialien für Lithiumbatterien typischerweise ein elektroaktives Material, das mit Lithium-Ionen interkaliert werden kann, wie Lithium-Übergangsmetalloxide oder Mischoxide vom Spinell-Typ, zum Beispiel Spinell LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiN1n_1.5Ni_0,5O₄, LiNi(_1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein kann), oder Lithiumeisenphosphate. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem nicht-wässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert sein können. Die negative Elektrode enthält typischerweise ein Lithium-Einlagerungsmaterial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial.
Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer Anode sind Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Interkalationsverbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverbindungen und Lithiumlegierungen.
Viele herkömmliche Li-Ionen-Batterien können unter Kapazitätsschwund leiden, der auf viele Faktoren zurückzuführen ist, einschließlich der Bildung eines passiven Films, der als Festelektrolyt-Interphasen-Schicht (SEI) über der Oberfläche der negativen Elektrode (Anode) bekannt ist und oft durch Reaktionsprodukte des Anodenmaterials, der Elektrolytreduktion und/oder der Lithium-Ionenreduktion entsteht. Aktives Material (Li⁺) in der positiven Elektrode kann so einen stabilen Film auf den Oberflächen der Elektroden bilden. Während der Bildungs- und Initiierungsphase geht das aktive Lithium verloren, da es die negative Elektrode passiviert. Diese irreversible Reaktion, die im ersten Ladezyklus beobachtet wird, führt zur Bildung eines stabilen passiven Films auf der Anode. Daher wird ein Teil der anfänglich in einer Batteriezelle vorhandenen Lithiummenge in die Bildung der SEI einbezogen, was zu einem hohen irreversiblen Kapazitätsverlust (IRCL) führt. Die Bildung der SEI-Schicht spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Elektrodenverhaltens und der Eigenschaften, einschließlich der Zykluslebensdauer, des irreversiblen Kapazitätsverlusts, der hohen Stromeffizienz und der hohen Ratenfähigkeiten, was besonders für den Einsatz in Leistungsbatterien und Start-Stopp-Batterien von Vorteil ist. Typischerweise gehen 10-20 % des in der Batterie vorhandenen Lithiums während dieses ersten Zyklus irreversibel verloren.
Um den anfänglichen Verlust von Lithium (z. B. in der SEI) zu kompensieren, kann zusätzliche Lithiumkapazität in die positive Elektrode der Batterie eingebaut werden. Dieser Ansatz reduziert jedoch die Energiedichte der Batterie und führt möglicherweise zu einer unerwünschten Lithiumabscheidung auf der negativen Elektrode. Es wäre wünschenswert, Verfahren zur Bildung von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien mit Materialien zu entwickeln, die dem anfänglichen Verlust der Lithium-Kapazität entgegenwirken, um den Kapazitätsschwund zu minimieren und die Ladekapazität für den Langzeiteinsatz zu maximieren. Darüber hinaus werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften von Ausführungsformen hierin aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund betrachtet werden.
BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zur Herstellung einer vorlithiierten Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit einer vorlithiierten Elektrode und ein Elektrofahrzeug mit einer vorlithiierten Elektrode sind vorgesehen. Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer vorlithiierten Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst das elektrochemische Verbinden einer Magnesium-Lithium-Legierung mit einer Elektrode. Ferner umfasst das Verfahren das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode. Außerdem umfasst das Verfahren das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode.
Ein beispielhaftes Verfahren umfasst ferner, vor dem elektrochemischen Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Elektrode, das Bestimmen einer ausgewählten Menge an Lithium-Ionen, die auf die Elektrode übertragen werden sollen, und das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen. In einigen Ausführungsformen des beispielhaften Verfahrens umfasst das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit mindestens 10 Gew.-% Lithium und das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung als ein Blech. In einigen Ausführungsformen des beispielhaften Verfahrens umfasst das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen das Extrudieren der Magnesium-Lithium-Legierung in eine gewünschte Form.
In einem beispielhaften Verfahren umfasst das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Elektrode das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit einer Vielzahl von Elektroden, das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen von der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode umfasst das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen von der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Vielzahl von Elektroden, und das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode umfasst das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Vielzahl von Elektroden.
In einem beispielhaften Verfahren ist die Magnesium-Lithium-Legierung aus mindestens 98 Gew.-% Magnesium und Lithium, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, zusammengesetzt.
In einem beispielhaften Verfahren hat die Elektrode einen gewünschten Ladezustand (SoC) von weniger als 100%, und das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode umfasst das Versehen der Elektrode mit dem gewünschten SoC ohne Entziehen von Lithium-Ionen.
In einem beispielhaften Verfahren hat die Elektrode einen gewünschten Ladezustand (SoC) von weniger als 100 %, und das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode umfasst das Versehen der Elektrode mit einem SoC von 100 % und das anschließende Entziehen von Lithium-Ionen aus der Elektrode.
In einem beispielhaften Verfahren umfasst das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode das Entlegieren der Magnesium-Lithium-Legierung, um eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur mit einem Lithiumgehalt von weniger als 10 Gew.-% Lithium zu bilden.
In einem beispielhaften Verfahren umfasst das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode das Entlegieren der Magnesium-Lithium-Legierung, um eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur mit einem Lithiumgehalt von weniger als 1 Gew.-% Lithium zu bilden.
In einem beispielhaften Verfahren umfasst das Vorlitieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode das Entlegieren der Magnesium-Lithium-Legierung, um eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur mit einem Lithiumgehalt von weniger als 0,1 Gew.-% Lithium zu bilden.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie mit einer vorlithiierten Anode vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer Kathode, eines Kathoden/Anoden-Separators und einer nicht-lithiierten Anode nebeneinander; das elektrochemische Verbinden einer Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode; das Vorlithiieren der Anode durch Übertragen von Lithium-Ionen von der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Anode, wodurch die vorlithiierte Anode aus der Anode und eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur aus der Magnesium-Lithium-Legierung gebildet wird; das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur; und das elektrochemische Verbinden der vorlithiierten Anode mit der Kathode zum Betrieb der Batterie.
In einer Ausführungsform des Verfahrens hat die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 10 Gew.-%.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode das Anordnen der Magnesium-Lithium-Legierung angrenzend zur Anode, und das Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines Vorlithiierungsseparators zwischen der Anode und der Magnesium-Lithium-Legierung.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode das Anordnen der Magnesium-Lithium-Legierung angrenzend zur Anode, und das Verfahren umfasst ferner das Halten der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur angrenzend zur Anode während des Betriebs der Batterie.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode das Anordnen der Magnesium-Lithium-Legierung angrenzend zur Anode, und das Verfahren umfasst ferner das Entfernen der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur aus der Batterie vor dem Betrieb der Batterie.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Elektrofahrzeug bereitgestellt. Das Elektrofahrzeug umfasst ein Fahrzeuggestell und eine Batteriepackungsbaugruppe mit einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst eine Kathode; eine vorlithiierte Anode, die elektrochemisch mit der Kathode verbunden ist; und eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur, die elektrochemisch von der vorlithiierten Anode getrennt ist.
In einem beispielhaften Elektrofahrzeug hat die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 10 Gew.-%.
In einem beispielhaften Elektrofahrzeug hat die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 1 Gew.-%.
In einem beispielhaften Elektrofahrzeug hat die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 0,1 Gew.-%.
Diese Beschreibung dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die weiter unten in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Diese Beschreibung ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
Figurenliste
Die beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Elektrofahrzeugs mit einem ausgeschnittenen Abschnitt ist, um eine Batteriepackungsbaugruppe zu zeigen, gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Lithium-Ionen-Batterie ist, die mehrere benachbarte elektrochemische Batteriezellen umfasst, gemäß einer Ausführungsform;
3-6 schematische Querschnittsansichten eines Verfahrens zum Vorlithiieren der Anode einer beispielhaften Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Magnesium-Lithium-Legierung als Lithiumquelle sind, gemäß einer Ausführungsform;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer Magnesium-Lithium-Legierung ist, die elektrochemisch mit einer Vielzahl von Anoden in einer Batterie zum Vorlithiieren verbunden ist, gemäß dem Verfahren der 3-6 und gemäß einer Ausführungsform;
8 eine schematische Querschnittsansicht einer Batterie ähnlich wie in 7, aber mit doppelseitigen Anoden ist, gemäß einer Ausführungsform;
9 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer beispielhaften Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer Magnesium-Lithium-Legierung als Lithiumquelle ist;
10 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 9 ist; und
11 ein Diagramm ist, das die Abstimmung des Lithiumgehalts in einer Magnesium-Lithium-Lithiumquelle zum Vorlithiieren einer Anode zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich illustrativer Natur und soll die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendung und Verwendungen solcher Ausführungsformen nicht einschränken. Jede hier als beispielhaft beschriebene Implementierung ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen zu verstehen. Darüber hinaus ist nicht beabsichtigt, an irgendwelche ausdrücklichen oder impliziten Theorien gebunden zu sein, die in dem vorangehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Beschreibung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt sind.
Wie hierin verwendet, bedeutet das Wort „exemplarisch“ „als Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend“. Wie hierin verwendet, bedeutet „ein“, „eine“ oder „der/die/das“ ein oder mehrere, sofern nicht anders angegeben. Der Begriff „oder“ kann konjunktiv oder disjunktiv sein. Offene Begriffe wie „aufweisen“, „aufweisend“, „enthalten“, „enthaltend“ und dergleichen bedeuten „umfassend“. In bestimmten Ausführungsformen können Zahlen in dieser Beschreibung, die Mengen, Verhältnisse von Materialien, physikalische Eigenschaften von Materialien und/oder die Verwendung angeben, so verstanden werden, dass sie durch das Wort „etwa“ modifiziert werden. Der Begriff „etwa“, wie er im Zusammenhang mit einem Zahlenwert und den Ansprüchen verwendet wird, bezeichnet ein Genauigkeitsintervall, das dem Fachmann bekannt und akzeptabel ist. Im Allgemeinen beträgt ein solches Genauigkeitsintervall ±10%. Alle Zahlen in dieser Beschreibung, die Mengen, Verhältnisse von Materialien, physikalische Eigenschaften von Materialien und/oder die Verwendung angeben, können als durch das Wort „etwa“ modifiziert verstanden werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Wie hierin verwendet, bezieht sich „%“ oder „Prozent“ in der vorliegenden Offenbarung auf den Gewichtsprozentsatz, sofern nicht anders angegeben. Ferner werden Begriffe wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“ usw. beschreibend für die Figuren verwendet und stellen keine Einschränkungen des Umfangs des Gegenstands dar, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Jegliche numerischen Bezeichnungen, wie z. B. „erste“ oder „zweite“, dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, den Umfang des Gegenstands in irgendeiner Weise einzuschränken. Ferner ist der Begriff „Kathode“, wie hierin verwendet wird, mit dem herkömmlichen Verständnis von „positive Elektrode“ und „Anode“, wie hierin verwendet wird, mit dem herkömmlichen Verständnis von „negative Elektrode“ in einer Lithium-Ionen-Batterie oder Zelle, wo Lithium-Ionen zwischen der Anode und Kathode geleitet werden, vorgesehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Siliziumanoden sowie einige andere Arten von Anoden in Lithium-Ionen-Batteriezellen aus Leistungsgründen vorlithiiert werden müssen. Insbesondere während der Lithiierung können solche Anoden eine große Ausdehnung erfahren, z. B. um bis zu 300 %, und die strukturelle Integrität kann beeinträchtigt werden. Außerdem wird bei der Lithiierung Lithium irreversibel verbraucht, was, wenn das verbrauchte Lithium von der Betriebskathode stammt, die Batteriekapazität verringert. Die Vorlithiierung mit einer zusätzlichen Lithiumquelle (zusätzlich zur Betriebskathode) kann daher die Batteriekapazität um 35 % erhöhen und so z. B. einem Elektrofahrzeug mehr Reichweite verschaffen.
Die vorliegenden Ausführungsformen beziehen sich auf die Vorlithiierung von Anoden in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Genauer gesagt beziehen sich die vorliegenden Ausführungsformen auf die Verwendung einer Magnesium-Lithium-Legierung als Quelle für Lithium-Ionen während der Vorlithiierung von Anoden in Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Menge an Lithium (und die Menge an Magnesium) in der Lithiumquelle kann so gewählt werden, dass nach dem Lithiierungsprozess kein Lithium in der Lithiumquelle verbleibt. Alternativ kann die Menge an Lithium (und die Menge an Magnesium) in der Lithiumquelle so gewählt werden, dass eine ausgewählte geringe Menge an Lithium nach dem Lithiierungsprozess in der Lithiumquelle verbleibt. Auf diese Weise wird die Menge des verschwendeten Lithiums reduziert.
Des Weiteren werden hier Ausführungsformen von Verfahren und Batterien beschrieben, bei denen die zusätzliche Lithiumquelle in der Batterie verbleiben kann, d. h. nach der Vorlithiierung nicht entfernt werden muss, ohne dass der Wirkungsgrad der Batterie groß beeinträchtigt wird. Insbesondere ist das zusätzliche Gewicht der zusätzlichen Lithiumquelle nach der Vorlithiierung gering im Vergleich zum Gewicht der Batterie und im Vergleich zur Erhöhung der Batteriekapazität, die durch die Verwendung der zusätzlichen Lithiumquelle erreicht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass bestimmte beispielhafte Ausführungsformen die Entfernung der Lithiumquelle nach der Vorlithiierung vorsehen können.
Unter Bezugnahme auf 1, in der gleiche Referenznummern gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, wo immer dies in den verschiedenen Figuren möglich ist, wird ein elektrisches Fahrzeug 1 mit einer Hochspannungs-Batteriepackungsbaugruppe 7 gezeigt, die mit einem Batteriemodul 2 versehen ist. Das beispielhafte Batteriemodul 2 umfasst eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Batterien. Ferner kann die Batteriepackungsbaugruppe 7 eine Vielzahl von Batteriemodulen 2 umfassen. Auch wenn in 1 ein Batteriemodul 2 dargestellt ist, ist es denkbar, dass die Batteriepackungsbaugruppe 7 kein Batteriemodul 2 enthält, wie z. B. bei einem Zellenpackungsdesign. Das beispielhafte Elektrofahrzeug 1 umfasst ein Fahrzeuggestell 3 und einen Batterieträger 4. In der dargestellten Ausführungsform wird das Batteriemodul 2 am Batterieträger 4 befestigt. Außerdem wird der Batterieträger 4 am Fahrzeuggestell 3 befestigt, um die Batteriepackungsbaugruppe 7 am Elektrofahrzeug 1 zu sichern.
Das beispielhafte Elektrofahrzeug 1 kann auch eine Batterietrenneinheit (BDU) 5 enthalten, die mit der Packungsbaugruppe 7 verbunden ist und eine elektrische Verbindung zwischen der Packungsbaugruppe 7 und einem elektrischen System (nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 1 herstellt. Das beispielhafte Elektrofahrzeug 1 kann außerdem eine Batterieabdeckung 6 enthalten, die sich um das Batteriemodul 2 herum erstreckt. Die beispielhafte Batterieabdeckung 6 kann das Batteriemodul 2 vor Beschädigungen schützen und eine elektrische Isolierung gegenüber der Hochspannung der Batteriepackungsbaugruppe 7 bieten.
2 zeigt eine beispielhafte und verallgemeinerte Lithium-Ionen-Batterie 9, die in der Batteriepackungsbaugruppe 7 von 1 enthalten ist. In 2 ist die Lithium-Ionen-Batterie 9 so dargestellt, dass sie mehrere rechteckige elektrochemische Batteriezellen 10 umfasst, die jeweils durch metallische Stromkollektoren eingefasst sind. Die elektrochemischen Batteriezellen 10 sind in einer modularen Konfiguration nebeneinander gestapelt und in Reihe geschaltet (obwohl auch eine Parallelschaltung möglich ist). Die Lithium-Ionen-Batterie 9 kann in Reihe oder parallel zu anderen, ähnlich aufgebauten Lithium-Ionen-Batterien geschaltet werden, um eine Lithium-Ionen-Batteriepackung zu bilden, die die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Spannung und Stromkapazität aufweist. Es sollte verstanden werden, dass die hier gezeigte Lithium-Ionen-Batterie 9 lediglich eine schematische Darstellung ist. 1 soll die relative Position und die physikalischen Wechselwirkungen der verschiedenen Komponenten zeigen, die die elektrochemischen Batteriezellen 10 bilden (d.h. die Elektroden und den Separator); sie soll nicht über die relativen Größen der Komponenten der elektrochemischen Batteriezellen informieren, die Anzahl der elektrochemischen Batteriezellen 10 in der Lithium-Ionen-Batterie 9 definieren oder die große Vielfalt der strukturellen Konfigurationen einschränken, die die Lithium-Ionen-Batterie 9 annehmen kann. Verschiedene strukturelle Modifikationen der in 1 dargestellten Lithium-Ionen-Batterie 9 sind trotz der expliziten Darstellung möglich.
Die in der Lithium-Ionen-Batterie 9 enthaltene elektrochemische Batteriezelle 10 umfasst eine negative Elektrode 11, eine positive Elektrode 12 und einen Separator 13, der sich zwischen den beiden Elektroden 11, 12 befindet. Jede der negativen Elektrode 11, der positiven Elektrode 12 und des Separators 13 ist mit einer flüssigen Elektrolytlösung benetzt, die in der Lage ist, Lithium-Ionen zu übertragen.
Zwischen den negativen Elektroden 11 benachbarter elektrochemischer Zellen 10 befindet sich ein negativ gepolter metallischer Stromkollektor mit einer negativen Polklemme 14. Die negative Polklemme 14 ist elektrisch mit einem negativen Anschluss 15 gekoppelt. Ebenso befindet sich zwischen benachbarten positiven Elektroden 12 ein positiv gepolter metallischer Stromkollektor mit einer positiven Polklemme 16. Die positive Polklemme 16 ist elektrisch mit einem positiven Anschluss 17 gekoppelt.
Die elektrochemische Zelle 10 ist im Allgemeinen dünn und flexibel. Eine typische Dicke der elektrochemischen Zelle 10, die sich von der äußeren Stirnfläche der negativen Elektrode 11 bis zur äußeren Stirnfläche der positiven Elektrode 12 erstreckt, beträgt etwa 80 µm bis etwa 350 µm. Jede Elektrode 11, 12 kann etwa 30 µm bis 150 µm dick sein und der Separator 13 kann etwa 20 µm bis 50 µm dick sein. Die metallischen Stromkollektoren sind normalerweise etwa 5 µm bis 20 µm dick. Die relativ dünne und flexible Beschaffenheit der elektrochemischen Batteriezelle 10 und der zugehörigen metallischen Stromkollektoren ermöglicht es, sie zu rollen, zu falten, zu biegen oder auf andere Weise in eine Vielzahl von Lithium-Ionen-Batterie-Konfigurationen zu bringen, je nach Designspezifikationen und räumlichen Beschränkungen. Die Lithium-Ionen-Batterie 9 kann zum Beispiel eine Reihe von verschiedenen elektrochemischen Batteriezellen 10 enthalten, die hergestellt, zugeschnitten, ausgerichtet und nebeneinander positioniert wurden, oder, in einer alternativen Ausführungsform, können die Zellen 10 aus einer kontinuierlichen Schicht abgeleitet werden, die viele Male über sich selbst hin- und her gefaltet wird.
Die negative Elektrode 11 enthält ein Lithium-Wirtsmaterial, das interkaliertes Lithium bei einem relativ niedrigen elektrochemischen Potenzial (relativ zu einer Lithiummetall-Referenzelektrode) speichert, wie z. B. Silizium, Graphit oder Lithiumtitanat. Die negative Elektrode kann andere anodenaktive Materialien enthalten, die aus Graphit, Zinn, Silizium, Siliziumoxid, Antimon, Phosphor, Lithium, hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff und Mischungen davon ausgewählt sind. Das Lithium-Wirtsmaterial kann mit einem polymeren Bindemittelmaterial vermischt sein, um der negativen Elektrode 11 strukturelle Integrität zu verleihen.
Ein beispielhaftes polymeres Bindematerial ist eines oder mehrere von Polyvinyldienfluorid (PVdF), ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder eine Carboxymethoxyzellulose (CMC). Graphit wird normalerweise zur Herstellung der negativen Elektrode 11 verwendet, da seine Schichtstruktur nicht nur relativ inert ist, sondern auch günstige Lithium-Interkalations- und - Deinterkalationseigenschaften aufweist, die dazu beitragen, die elektrochemische Batteriezelle 10 mit einer geeigneten Energiedichte zu versehen. Kommerzielle Formen von Graphit, die zur Konstruktion der negativen Elektrode 11 verwendet werden können, sind von Timcal Graphite and Carbon (mit Hauptsitz in Bodio, Schweiz), Lonza Group (mit Hauptsitz in Basel, Schweiz) und Superior Graphite (mit Hauptsitz in Chicago, Ill.) erhältlich. Der negative metallische Stromkollektor, der der negativen Elektrode 11 zugeordnet ist, ist vorzugsweise eine Dünnschicht-Kupferfolie, die die äußere Stirnfläche der negativen Elektrode 11 flächig kontaktiert.
Die positive Elektrode 12 enthält ein aktives Material auf Lithiumbasis, das interkaliertes Lithium bei einem höheren elektrochemischen Potenzial speichert als das Lithium-Wirtsmaterial, das zur Herstellung der negativen Elektrode 11 verwendet wird (auch in Bezug auf eine Lithiummetall-Referenzelektrode). Die gleichen polymeren Bindemittelmaterialien, die zum Aufbau der negativen Elektrode 11 verwendet werden können (PVdF, EPDM, CMC), können auch mit dem aktiven Material auf Lithiumbasis vermischt werden, um der positiven Elektrode 12 strukturelle Integrität zu verleihen. Das aktive Material auf Lithiumbasis ist vorzugsweise ein geschichtetes Lithium-Übergangsmetalloxid, wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO₂), ein Spinell-Lithium-Übergangsmetalloxid, wie Spinell-Lithium-Mangan-Oxid (LiMn_XO_Y) ein Lithium-Polyanion, wie ein Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid [Li(Ni_XMn_YCO_z)O₂], Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO₄) oder Lithium-Fluor-Phosphat (Li₂FePO₄F), oder eine Mischung aus einem dieser Materialien. Einige andere geeignete aktive Materialien auf Lithiumbasis, die ganz oder teilweise verwendet werden können, sind Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), Lithium-Aluminium-Mangan-Oxid (Li_XAl_YMn_l-_YO₂) und Lithium-Vanadium-Oxid (LiV₂O₅), um nur einige Alternativen zu nennen. Der der positiven Elektrode 12 zugeordnete positiv gepolte metallische Stromkollektor ist vorzugsweise eine Dünnschicht-Aluminiumfolie, die die äußere Stirnfläche der positiven Elektrode 12 flächig kontaktiert.
Der Separator 13 fungiert als dünne und elektrisch isolierende mechanische Sperrschicht, die die einander gegenüberliegenden inneren Stirnflächen der Elektroden 11, 12 physisch trennt, um einen Kurzschluss in der elektrochemischen Batteriezelle 10 zu verhindern. Der Separator 13 ist außerdem ausreichend porös, um das Eindringen der flüssigen Elektrolytlösung und den internen Durchgang der gelösten Lithium-Ionen zu ermöglichen.
Die in den Separator 13 infiltrierte flüssige Elektrolytlösung, die beide Elektroden 11, 12 benetzt, ist vorzugsweise ein Lithiumsalz, das in einem nicht-wässrigen Lösungsmittel gelöst ist. Einige geeignete Lithiumsalze, die zur Herstellung der flüssigen Elektrolytlösung verwendet werden können, umfassen LiClO₄, LiAlCl₄, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF₄, LiB(C₆H₅)₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiN(CF₃SO₂)₂, LiPF₆ und eine Mischung, die eines oder mehrere dieser Salze enthält. Das nicht-wässrige Lösungsmittel, in dem das Lithiumsalz gelöst ist, kann ein cyclisches Carbonat (d.h. Ethylencarbonat, Propylencarbonat), ein acyclisches Carbonat (d.h. Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat), ein aliphatischer Carbonsäureester (d.h., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), ein γ-Lacton (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), ein acyclischer Ester (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), ein cyclischer Ester (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) oder eine Mischung, die eines oder mehrere dieser Lösungsmittel enthält.
Wie dargestellt, können der negative und der positive Anschluss 15, 17 der Lithium-Ionen-Batterie 9 mit einer elektrischen Vorrichtung 18 verbunden werden, die im Allgemeinen stromverbrauchende und stromerzeugende Vorrichtungen umfasst. Eine stromverbrauchende Vorrichtung ist eine, die ganz oder teilweise von der Lithium-Ionen-Batterie 9 gespeist wird, wenn sie im entladenen Zustand betrieben wird. Umgekehrt ist eine stromerzeugende Vorrichtung eine, das die Lithium-Ionen-Batterie 9 auflädt oder wieder mit Strom versorgt. Die stromverbrauchende Vorrichtung und die stromerzeugende Vorrichtung können in einigen Fällen die gleiche Vorrichtung sein. Zum Beispiel kann die elektrische Vorrichtung 18 ein Elektromotor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit verlängerter Reichweite sein, die so konstruiert ist, dass sie während der Beschleunigung einen elektrischen Strom aus der Lithium-Ionen-Batterie 9 zieht und während der Verzögerung einen regenerativen elektrischen Strom an die Lithium-Ionen-Batterie 9 liefert. Die stromverbrauchende Vorrichtung und die stromerzeugende Vorrichtung können auch unterschiedliche Vorrichtungen sein. Beispielsweise kann die stromverbrauchende Vorrichtung ein Elektromotor für ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit verlängerter Reichweite sein und die stromerzeugende Vorrichtung kann eine Wechselstrom-Steckdose, ein Verbrennungsmotor und/oder ein Fahrzeuggenerator sein.
Die Lithium-Ionen-Batterie 9 kann durch reversible elektrochemische Reaktionen, die in der elektrochemischen Batteriezelle 10 ablaufen, wenn ein geschlossener Stromkreis den negativen Anschluss 15 und den positiven Anschluss 17 zu einem Zeitpunkt verbindet, an dem die negative Elektrode 11 eine ausreichende Menge an interkaliertem Lithium enthält (d. h. Batterieentladung), einen nützlichen elektrischen Strom an die elektrische Vorrichtung 18 liefern. Die elektrochemische Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode 11 und der positiven Elektrode 12 treibt die Oxidation des in der negativen Elektrode 11 enthaltenen interkalierten Lithiums an. Die bei dieser Oxidationsreaktion entstehenden freien Elektronen werden vom negativ gepolten Stromkollektor aufgefangen und dem negativen Anschluss 15 zugeführt. Ein Strom von freien Elektronen wird nutzbar gemacht und durch die elektrische Vorrichtung 18 vom negativen Anschluss 15 zum positiven Anschluss 17 und schließlich zur positiven Elektrode 12 über den positiv gepolten Stromkollektor geleitet. Lithium-Ionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 11 entstehen, werden gleichzeitig von der flüssigen Elektrolytlösung durch den Separator 13 auf dem Weg zur positiven Elektrode 12 mitgenommen. Der Fluss freier Elektronen durch die elektrische Vorrichtung 18 vom negativen Anschluss 15 zum positiven Anschluss 17 kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen, bis die negative Elektrode 11 an interkaliertem Lithium erschöpft und die Kapazität der elektrochemischen Batteriezelle 10 verbraucht ist.
Die Lithium-Ionen-Batterie 9 kann jederzeit durch Anlegen einer externen, von der elektrischen Vorrichtung 18 stammenden Spannung an die elektrochemische Batteriezelle 10 geladen oder wieder aufgeladen werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung auftreten, umzukehren. Die angelegte externe Spannung zwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation des in der positiven Elektrode 12 enthaltenen interkalierten Lithiums zur Erzeugung freier Elektronen und Lithium-Ionen. Die freien Elektronen werden vom positiv gepolten Stromkollektor 16 aufgefangen und dem positiven Anschluss 17 zugeführt. Ein Strom der freien Elektronen wird über den negativ gepolten Stromkollektor 14 zum negativen Anschluss 15 und schließlich zur negativen Elektrode 11 geleitet. Gleichzeitig werden die Lithium-Ionen durch den Separator 13 in der flüssigen Elektrolytlösung zurück zur negativen Elektrode 11 geführt. Die Lithium-Ionen und die freien Elektronen vereinigen sich schließlich wieder und füllen die negative Elektrode 11 mit interkaliertem Lithium auf, um die elektrochemische Batteriezelle 10 für eine weitere Entladephase vorzubereiten.
Die 3-6 zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Querschnittsansichten eines beispielhaften Verfahrens 80 zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 100, wie eine der in der Batterie 9 von 2 beschriebenen Zellen 10, einschließlich einer vorlithiierten Anode mit interkaliertem Lithium. Der Vorlithiierungsprozess des Verfahrens 80 bildet eine Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) auf einer Oberfläche oder Oberflächen der Anode 105. In jeder vorlithiierten Anode 105 bildet die SEI eine schützende Grenzfläche auf den porösen Partikelanodenschichten, die die nachfolgende Interkalation von Lithium-Ionen aus dem Elektrolyten und die Deinterkalation von Lithium-Ionen in den Elektrolyten während der Lade- und Entladezyklen der Zelle ermöglicht.
3 zeigt die Zelle 100, bevor ein Vorlithiierungsprozess durchgeführt wird. Wie in 3 gezeigt, umfasst das Verfahren 80 die Bereitstellung der beispielhaften Zelle 100 mit einer Kathode 101, einem Separator 103, einer nicht-lithiierten Anode 105, d.h. einer Anode, die nicht dem hier beschriebenen Vorlithiierungsprozess unterzogen wurde und keine interkalierten Lithium-Ionen aufweist, einem Stromkollektor 107, einem optionalen Separator 109 und einer Lithiumquelle 110 in Form einer Magnesium-Lithium-Legierung. Es wird darauf hingewiesen, dass der Separator 109 neben der Lithiumquelle 110 nur dann notwendig ist, wenn die Möglichkeit besteht, dass die Elektroden die Lithium-Ionenquelle 110 physisch berühren und einen elektrischen Pfad bilden. Die Lithiumquelle 110 kann wie unten beschrieben ausgewählt werden, um der Anode 105 während eines Vorlithiierungsprozesses eine bestimmte gewünschte Menge an Lithium-Ionen zuzuführen. Ferner kann die Lithiumquelle 110 in einer gewünschten physikalischen Form bereitgestellt werden, wie z. B. als Blech, als gewalztes Blech, als extrudierter Stab, als Stopfen oder anderes Element oder dergleichen.
Während 3 den Separator 109 zwischen dem Stromkollektor 107 und der Lithiumquelle 110 zeigt, enthalten andere Ausführungsformen den Separator 109 nicht, so dass der Stromkollektor 107 direkt an die Lithiumquelle 110 angrenzt. Die Lithiumquelle 110 kann im Allgemeinen in Größe und Form mit der Anode 105 übereinstimmen.
Die Zelle 100 kann sich in einem geeigneten Behälter (nicht dargestellt) befinden, der eine Elektrolytlösung enthält, wie z. B. in einem nicht einschränkenden Beispiel LiPF₆. Der Behälter kann z. B. der Beutel oder die Münze sein, in der die fertige Hybridzelle verwendet werden soll.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Anode 105 aus einer Schicht aus Anodenmaterial, wie z. B. Silizium oder Graphit, gebildet. Insbesondere kann die Anode 105 eine poröse Schicht von Partikeln enthalten. In beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Anode 105 mikrometergroße Partikel (die einen kleinen Anteil an elektrisch leitfähigen Kohlenstoffpartikeln enthalten können). Die Partikel können mit dem Stromkollektor 107 verbunden sein. Ein beispielhafter Stromkollektor 107 ist eine Folie, wie z. B. eine dünne Kupferfolie.
Wie dargestellt, ist die Lithiumquelle 110 parallel zur Anode 105 ausgerichtet. Die Lithiumquelle 110 kann auf einem Trägerelement (nicht dargestellt) getragen werden, das eine elektrisch leitende Kupferfolie sein kann. In einigen Praktiken benötigt die Lithiumquelle 110 jedoch weder ein Trägerelement noch eine zusätzliche elektrische Verbindung.
Das Verfahren 80 wird in 4 durch elektrochemisches Verbinden der Anode 105 und der Lithiumquelle 110 fortgesetzt. Beispielsweise kann das Verfahren eine galvanostatische Aufladung der inhärent positiv geladenen Anodenschicht(en) 105 und der negativ geladenen Lithiumquelle 110 in der Elektrolytlösung über einen zweiten und dritten Anschluss umfassen, die zusammen mit der Referenznummer 120 bezeichnet werden. Bei diesem galvanostatischen Prozess treten die von der Lithiumquelle 110 zugeführten Lithium-Kationen in die Elektrolytlösung ein und wandern durch die Elektrolytlösung zu den porösen Schichten des Anodenmaterials in der Anode 105 am Stromkollektor 107.
Optional kann ein geeigneter niedriger Ladestrom verwendet werden, um die Bildung einer geeigneten SEI auf der Anode 105 zu fördern. Lithium-Kationen und nicht-wässrige Lösungsmittelmoleküle interagieren mit den Materialschichten der Anode 105, um die gewünschte SEI-Beschichtung auf der Anode 105 zu bilden. Die Menge an Lithium, die in das Anodenmaterial eingebaut wird, kann durch die Dauer der Ladezeit in einem Konstantstrommodus oder, typischer, durch eine eingestellte Spannungsabschaltung bei variabler Ladegeschwindigkeit gesteuert werden. Ein beispielhaftes Verfahren kann einen Konstantstrommodus oder einen Konstantstrommodus gefolgt von einem Konstantspannungsmodus verwenden. Im Allgemeinen diktiert die zeitliche Integration des Stroms die Menge des in das Anodenmaterial eingelagerten Lithiums.
In einer anderen Ausführungsform wird eine elektrische Verbindung (z. B. ein Kurzschluss mit einem elektrischen Draht), die in 4 nicht speziell dargestellt ist, z. B. zwischen dem Stromkollektor 107, der die Anode 105 trägt, und einem elektrisch leitenden Element, an dem die Lithiumquelle 110 befestigt ist, hergestellt. Bei diesem Kurzschlussverfahren gelangen die von der Lithiumquelle 110 zugeführten Lithium-Kationen in die Elektrolytlösung und wandern durch die Elektrolytlösung zu den porösen Materialschichten, die die Anode 105 am Stromkollektor 107 bilden. Die Kurzschlussverbindung zwischen der Anode 105 und der Lithiumquelle 110 bzw. deren Trägerelement (z. B. ein Kupfer-Stromkollektoren) verstärkt bei diesem Verfahren den Vorlithiierungsprozess. Abgesehen von der Kurzschlussverbindung stehen die Lithiumquelle 110 und die Anode 105 nicht in physikalischem Kontakt. Sie sind in einer eng beabstandeten Anordnung im Elektrolyt gelagert, oder es befindet sich eine poröse polymere Separatorschicht 109 zwischen den einander zugewandten Oberflächen der Lithiumquelle 110 und der Anode 105. Lithium-Kationen und nicht-wässrige Lösungsmittelmoleküle interagieren mit den Materialschichten der Anode 105, um die gewünschte SEI-Beschichtung auf der Anode 105 zu bilden.
In einem weiteren verwandten Vorlithiierungsverfahren für Anoden 105 kann eine Seite der Lithiumquelle 110 direkt gegen eine (oder beide) Seiten der Anode 105 platziert werden. Auch in dieser Ausführungsform kann die Verwendung eines Trägerelements oder eines elektrischen Verbinders nicht erforderlich sein. Die berührenden Elemente 105, 110 (kein Separator erforderlich) werden in einem geeigneten Behälter in einen Lithium-Kationen-leitenden Elektrolyten eingetaucht. Alternativ mag bei einer entsprechend geringen Menge an Elektrolyt auch kein Behälter erforderlich sein. Vielmehr werden die Poren jeder Elektrode und der Separatoren sorgfältig mit einem ausgewählten nicht-wässrigen Flüssigelektrolyt infiltriert. Der Vorlithiierungsprozess könnte in einer sauerstoff-/wasserfreien Umgebung durchgeführt werden. Auch bei diesem Verfahren gelangen die von der Lithiumquelle 110 zugeführten Lithium-Kationen in die Elektrolytlösung und wandern durch die Elektrolytlösung zu den porösen Schichten der Anode 105 am Stromkollektor 107. Dieses Verfahren des direkten Kontakts kann eine schnelle und steuerbare (durch die Kontaktzeit) Vorlithiierung der porösen Schicht(en) der Anode 105 aufgrund der Bildung eines nahezu Nullspalts zwischen der/den Materialschicht(en) der Anode 105 und der Lithiumquelle 110 ermöglichen.
In beispielhaften Ausführungsformen kann die Lithiumquelle 110 aus einer Magnesium-Lithium-Legierung verwendet werden, um die Anode 105 direkt auf einen gewünschten Ladezustand (SoC) zu bringen, indem die Anode 105 während des beschriebenen Ladevorgangs mit Lithium-Ionen gefüllt wird und anschließend kein Prozess zur Entziehung von Lithium-Ionen aus ihr durchgeführt wird. Infolgedessen wird weniger Lithium verbraucht.
In anderen Ausführungsformen kann die Magnesium-Lithium-Legierungs-Lithiumquelle verwendet werden, um die Anode 105 vollständig auf 100 % SOC zu lithiieren, und die Lithium-Ionen können später aus der Anode 105 entzogen werden, um die Anode 105 auf den gewünschten SOC zu bringen. Während solche Ausführungsformen mehr Lithium in der Legierungslithiumquelle 110 erfordern, wird die Anode 105 vollständig zykliert.
Die oben beschriebenen Verfahren beschreiben einfach durchzuführende Verfahren zur Verwendung einer nicht-wegwerfbaren Lithiumquelle zur Vorlithiierung von Anoden, wie z. B. neu hergestellten Anoden zur Verwendung in einer Batterie. Offensichtlich wird bei der Auswahl eines der zuvor beschriebenen Vorlithiierungsverfahren die Auswahl einer Behälterkonfiguration (falls ein Behälter tatsächlich erforderlich ist) und der Elektrolytaufnahme an die Verarbeitung einer Anzahl von Anoden (oder Anodenschichten) angepasst, die die Bildung der Festelektrolyt-Grenzfläche in den porösen Anodenschichten erfordern.
Natürlich kann eine vorbestimmte Anzahl von Anoden und eine geeignete Anzahl von geeignet platzierten Lithiumquellen in einem feuchtigkeitsfreien, elektrolythaltigen Gefäß oder Behälter oder ohne einen solchen Behälter in den hier beschriebenen Ausführungsformen verarbeitet werden.
Nach Beendigung dieses Vorlithiierungsprozesses von 4 sind die ursprünglichen porösen Schichten der Anode 105 vorlithiiert, wodurch die in 5 gezeigte vorlithiierte Anode 105' entsteht. Wie in 5 gezeigt, entlegiert die Magnesium-Lithium-Legierung nach der Lithiierung der Anode und bildet eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur 110', wie ein Gerüst. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit des Lithium-Dendritenwachstums während der Vorlithiierungszyklen reduziert, im Gegensatz zur Lithiierung, die mit einer Lithiumquelle aus reinem Lithium durchgeführt wird. Wie in 5 gezeigt, umfasst das Verfahren 80 das elektrochemische Trennen der vorlithiierten Anode 105' von der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur 110'.
In beispielhaften Ausführungsformen ist die Zelle 100 von 5 bereit für den Einsatz in einer Lithiumbatterie, wie z. B. der Batterie 9 von 2. 6 veranschaulicht eine solche Verwendung. In 6 umfasst das Verfahren das elektrochemische Verbinden der vorlithiierten Anode 105' und der Kathode 101. Beispielsweise können elektrische Ladungen über einen ersten und einen zweiten Anschluss angelegt werden, die zusammen mit der Referenznummer 130 bezeichnet sind. Insbesondere ist die vorlithiierte Anode 105' negativ geladen und die Kathode 101 positiv geladen, wenn die Zelle 100 während des Betriebs der Batterie entladen wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass in 6 das Verfahren den Betrieb der Batterie umfasst, während die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur 110' neben der vorlithiierten Anode 105' angeordnet bleibt. Es ist auch denkbar, dass das Verfahren das Entfernen der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur 110' vor dem Betrieb der Batterie umfasst.
Während die 3-6 eine einzelne Lithium-Ionen-Batteriezelle 100 zur Verwendung mit der Lithiumquelle 110 zeigen, ist es denkbar, dass eine einzelne Lithiumquelle 110 zur Vorlithiierung der Anoden einer Vielzahl von Zellen 100 verwendet werden kann. 7 ist eine schematische Darstellung einer solchen Ausführungsform. In 7 stellen die Zellen 100, 100' und 100" eine Vielzahl von beliebig vielen geeigneten Zellen dar. Wie dargestellt, umfassen die Zellen 100, 100' und 100" jeweils Kathoden 101, Separatoren 103, nicht-lithiierte Anoden 105, Stromkollektoren 107 und Separatoren 109. (Wiederum wird darauf hingewiesen, dass der Separator neben der Lithiumquelle 110 nur dann notwendig ist, wenn die Möglichkeit besteht, dass die Elektroden die Lithium-Ionenquelle 110 physisch berühren und einen elektrischen Pfad bilden).
Weiterhin teilen sich die Zellen 100, 100' und 100" die Lithiumquelle 110, so dass Lithium-Ionen aus der Lithiumquelle 110 den Anoden 105 jeder Zelle 100, 100' und 100" zugeführt werden können.
8 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform ähnlich der von 7, bei der die Zellen 100, 100' und 100" mit doppelseitigen Anoden 105 versehen sind. Es versteht sich, dass alle hier beschriebenen Anoden 105 einseitig, wie in den 3-7 gezeigt, oder doppelseitig, wie in 8 gezeigt, vorgesehen sein können.
In beispielhaften Ausführungsformen der Zellen 100 der 3-8, neben anderen geeigneten Möglichkeiten, kann die Lithiumquelle 110 ein Blech oder eine Folie sein, die eine Länge und Breite hat, die der der Anoden 105 entspricht. In 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Lithiumquelle 110 als ein Stab oder eine Stange bereitgestellt werden kann, der/die durch Extrusion oder eine andere im Allgemeinen weniger kostspielige Verarbeitung gebildet wird.
Wie in 9 dargestellt, bleiben die Komponenten Kathode, Separatoren, Anode und Kollektor der Zellen 100, 100' und 100" ausgerichtet und im Wesentlichen parallel. Die Lithiumquelle 110 ist jedoch senkrecht zu den Komponenten der Zellen 100, 100' und 100" angeordnet, und zwar in einem ausgewählten gleichen Abstand von den Enden jeder Anode in den Zellen 100, 100' und 100", und nicht in einem Abstand von einer Seite der Anode der Zelle 100, wie in den 3-8. Ein zusätzlicher optionaler Separator 112 kann zwischen der Lithiumquelle 110 und den Anoden der Zellen 100, 100' und 100" vorgesehen werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass eine Elektrode die Lithiumquelle 110 physisch berührt und einen elektrischen Pfad bildet. In beispielhaften Ausführungsformen ist es möglich, den Raum der Lithiumquelle 110 als Ausgasungstasche zu verwenden, so dass die entlegierte Lithiumquelle nach der Bildung entfernt werden kann, anstatt die entlegierte Lithiumquelle in der Batterie zu belassen oder zusätzliche Prozesse in das Verfahren einzuführen, die dem Entfernen der entlegierten Lithiumquelle nach der Vorlithiierung gewidmet sind.
10 ist eine perspektivische schematische Darstellung einer Ausführungsform der Zellen 100' und 100", die alle Zellen 100 darstellen, wie sie in 9 angeordnet sind. In 10 sind die Zellen 100' und 100", die Lithiumquelle 110 und der optionale Separator 112 in einem Behälter 140 aufgenommen. Klemmen 150 für elektrische Anschlüsse erstrecken sich von den Anoden und Kathoden der Zellen 100' und 100".
Wie oben erwähnt, kann die Lithiumquelle 110 mit einer bestimmten gewünschten Menge an Lithium-Ionen gebildet werden, die der Anode 105 während des Vorlithiierungsprozesses zugeführt werden sollen. Somit kann das Verfahren 80 zur Herstellung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle 100 einen Prozess zur Bestimmung einer ausgewählten Menge an Lithium-Ionen, die in der Lithiumquelle bereitgestellt werden sollen, sowie einen Prozess zur Bildung der Lithiumquelle mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen umfassen. Insbesondere kann das Verfahren 80 die Abstimmung der Magnesium-Lithium-Legierungszusammensetzung auf die gewünschte Anodenkapazität beinhalten, um einen vollständigen Vorlithiierungszyklus ohne Restlithiumüberschuss zu ermöglichen.
Das Verfahren kann die folgende Formel verwenden, um die ausgewählte Menge an Lithium in der Lithiumquelle einer Magnesium-Lithium-Legierung zu bestimmen: $X^{L i} (W t .%) = \frac{100 * A l l o y_{C a p} (m A h / c m^{2}) * ρ_{L i}}{L i_{C a p} * ρ_{M g} * ρ_{L i} * T h i c k (c m) A l l o y_{C a p} (m A h / c m^{2}) * (ρ_{L i} - ρ_{M g})}$
In der Formel ist X^Li die ausgewählte Menge an Lithium in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Magnesium-Lithium-Legierung; Alloycap ist die gewünschte Flächenkapazität der Lithiumquelle in mAh/cm²; ρ_Li ist die Dichte von Lithium in g/cm³, die 0,534 beträgt, ρ_Mg ist die Dichte von Magnesium in g/cm³, die 1,738 beträgt, Li_Cap ist die Kapazität von Lithium, die 3860 mAh/g beträgt, und Thick ist die Dicke der Lithium-Magnesium-Legierung in cm. Die Formel erfordert nicht, dass die Anode und die Lithium-Magnesium-Quelle die gleiche Fläche haben. In der Praxis kann die Fläche der Lithiumquelle so gewählt werden, dass die Gesamtkapazität dem entspricht, was gewünscht ist. Da die Anode und die Lithiumquelle nicht die gleiche Fläche haben müssen, kann die Gesamtlegierungskapazität einer Zelle mit einem oder allen der folgenden Faktoren modifiziert werden: Fläche, Dicke und Flächenkapazität. Mit anderen Worten, die Kapazität kann durch Änderung der Geometrie, z. B. der Dicke, oder durch Änderung der Legierungszusammensetzung eingestellt werden. Während die obige Formel bei der Verwendung dünner Folien nützlich ist, kann die Formel für einen extrudierten Stab oder andere Formen volumetrische Einheiten und die Gesamtkapazität verwenden.
Basierend auf dieser Formel kann die Menge an Lithium in der Magnesium-Lithium-Legierung so gewählt werden, dass kein Restlithium oder eine gewählte geringe Menge an Restlithium im entlegierten Magnesium-Lithium-Gerüst, d.h. in der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur, verbleibt, nachdem der Vorlithiierungsprozess stattgefunden hat. Dies ist insbesondere in Ausführungsformen der Fall, bei denen während des Vorlithiierungsprozesses keine Lithium-Ionen aus der Anode entzogen werden. In beispielhaften Ausführungsformen hat die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 15 Gew.-%, beispielsweise weniger als 12 Gew.-%, beispielsweise weniger als 10 Gew.-%, beispielsweise weniger als 8 Gew.-%, beispielsweise weniger als 5 Gew.-%, beispielsweise weniger als 1 Gew.-%, beispielsweise weniger als 0,1 Gew.-% oder sogar 0,0 Gew.-%. In Ausführungsformen, in denen die Anode während der Vorlithiierung vollständig lithiiert wird (100 % SOC), gefolgt von der Entlziehung von Lithium-Ionen aus der Anode, um die Anode auf den gewünschten SoC zu bringen, kann die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von etwa der Hälfte des Lithiumgehalts der Magnesium-Lithium-Lithiumquelle vor dem Vorlithiierungsprozess aufweisen, z. B. weniger als 50 Gew.-% oder einen anderen ausgewählten Wert.
11 ist ein Diagramm, das die Abstimmung einer Magnesium-Lithium-Legierung zur Verwendung als Lithiumquelle während der Vorlithiierung veranschaulicht. In 11 ist die Foliendicke (in µm) einer vorzulithiierenden Anode auf der x-Achse und der Lithiumgehalt der Magnesium-Lithium-Legierung (in Gew.-%) auf der y-Achse dargestellt. Zeile 71 und Zeile 72 stellen die Menge an Lithium in einer Magnesium-Lithium-Legierung dar, die benötigt wird, um eine einseitige Anode (Zeile 71) und eine doppelseitige Anode (Zeile 72) mit einer beispielhaft gewählten Anodenkapazität von 9 mAh/cm² bei verschiedenen Anodenfoliendicken vorzulithiieren. Weiterhin wird angemerkt, dass in beispielhaften Ausführungsformen die Magnesium-Lithium-Legierung als β-Phase mit einer BCC-Struktur hergestellt wird, die leicht zu dünnen Blechen gewalzt oder schmelzgesponnen werden kann. Die Magnesium-Lithium-Legierung wird als β-Phase mit einer BCC-Struktur hauptsächlich dann hergestellt, wenn sie einen Lithiumgehalt von mindestens 10,2 Gew.-% aufweist (dargestellt durch Linie 73 in 11). Somit kann für Ausführungsformen, in denen die Magnesium-Lithium-Legierung in Form eines Blechs, einer Folie oder eines anderen dünnen gewalzten Substrats verwendet wird, die Auswahl der Menge an Lithium in der Magnesium-Lithium-Legierung oder die Gestaltung der Anoden durch das Diagramm von 11 informiert werden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsformen, bei denen die verbrauchte, entlegierte Lithiumquelle vor der Verwendung der Batterie nicht aus der Batteriepackung entfernt wird, das Gewicht der Batteriepackung nicht wesentlich erhöht wird. Zum Beispiel kann das Gewicht einer typischen Batteriepackung für ein Elektrofahrzeug 430 kg bei einer Leistung von 60 kWh bei 3,63 Volt betragen, was eine Batteriekapazität von 16,6 kAh erfordert. Bei einer doppelseitigen Siliziumanode mit einem Kapazitätsverhältnis von negativen zu positiven Elektroden (N:P-Verhältnis) von 2, d. h. 9 mAh/cm² : 4,5 mAh/cm², einer Lithiumquelle aus einer Magnesium-Lithium-Legierung mit 1800 mAh/cm³ (100 % Lithiiierung) und unter der Annahme eines Lithiumgehalts von 68 Gew.-% Lithium in der Magnesium-Lithium-Lithiumquelle beträgt das Gesamtgewicht des Magnesiums in der Magnesium-Lithium-Lithiumquelle etwa 8,6 kg. Die Auswirkung auf das Batteriegewicht ist also nur eine Zunahme von 2 %, während die Batteriekapazität durch die Vorlithiierung um 35 % erhöht wird.
Für die gleichen Batteriepackung und die gleiche Magnesium-Lithium-Lithiumquelle, mit halber Dicke und 50 % Lithiierung, beträgt das Gesamtgewicht des Magnesiums in der Magnesium-Lithium-Lithiumquelle etwa 4,3 kg. Die Auswirkung auf das Batteriegewicht ist also nur eine Erhöhung von 1 %.
In beispielhaften Ausführungsformen hat die Magnesium-Lithium-Legierung einen Lithiumgehalt von weniger als 95 Gew.-% oder weniger als 90 Gew.-%, z. B. weniger als 85 Gew.-%, z. B. weniger als 80 Gew.-%, z. B. weniger als 75 Gew.-%, z. B. weniger als 70 Gew.-%, z. B. weniger als 65 Gew.%, zum Beispiel weniger als 60 Gew.-%, wie weniger als 55 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 50 Gew.-%, wie weniger als 45 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 40 Gew.-%, wie weniger als 35 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 30 Gew.-%, wie weniger als 25 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 20 Gew.-%, wie weniger als 15 Gew.-%. In beispielhaften Ausführungsformen hat die Magnesium-Lithium-Legierung einen Lithiumgehalt von mehr als 10 Gew.-%, beispielsweise mehr als 15 Gew.-%, beispielsweise mehr als 20 Gew.-%, beispielsweise mehr als 25 Gew.-%, beispielsweise mehr als 30 Gew.-%, beispielsweise mehr als 35 Gew.-%, beispielsweise mehr als 40 Gew.-%.%, z.B. größer als 45 Gew.-%, z.B. größer als 50 Gew.-%, z.B. größer als 55 Gew.-%, z.B. größer als 60 Gew.-%, z.B. größer als 65 Gew.-%, z.B. größer als 70 Gew.-%, z.B. größer als 75 Gew.-%, z.B. größer als 80 Gew.-%, z.B. größer als 85 Gew.-%, z.B. größer als 90 Gew.-%. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Magnesium-Lithium-Legierung einen Lithiumgehalt von 50 Gew.-% bis 90 Gew.-% aufweisen. Andere geeignete Bereiche können gewählt werden.
In beispielhaften Ausführungsformen hat die Magnesium-Lithium-Legierung einen Magnesiumgehalt von weniger als 90 Gew.-%, z. B. weniger als 85 Gew.-%, z. B. weniger als 80 Gew.-%, z. B. weniger als 75 Gew.-%, z. B. weniger als 70 Gew.-%, z. B. weniger als 65 Gew.-%, z. B. weniger als 60 Gew.-%.%, beispielsweise weniger als 55 Gew.-%, beispielsweise weniger als 50 Gew.-%, beispielsweise weniger als 45 Gew.-%, beispielsweise weniger als 40 Gew.-%, beispielsweise weniger als 35 Gew.-%, beispielsweise weniger als 30 Gew.-%, beispielsweise weniger als 25 Gew.-%, beispielsweise weniger als 20 Gew.-%, beispielsweise weniger als 15 Gew.-%. In beispielhaften Ausführungsformen hat die Magnesium-Lithium-Legierung einen Magnesiumgehalt von mehr als 10 Gew.-%, beispielsweise mehr als 15 Gew.-%, beispielsweise mehr als 20 Gew.-%, beispielsweise mehr als 25 Gew.-%, beispielsweise mehr als 30 Gew.-%, beispielsweise mehr als 35 Gew.-%, beispielsweise mehr als 40 Gew.-%, auf.%, z.B. größer als 45 Gew.-%, z.B. größer als 50 Gew.-%, z.B. größer als 55 Gew.-%, z.B. größer als 60 Gew.-%, z.B. größer als 65 Gew.-%, z.B. größer als 70 Gew.-%, z.B. größer als 75 Gew.-%, z.B. größer als 80 Gew.-%, z.B. größer als 85 Gew.-%, z.B. größer als 90 Gew.-%. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Magnesium-Lithium-Legierung einen Magnesiumgehalt von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-% aufweisen. Andere geeignete Bereiche können gewählt werden.
Zusätzlich zu dem Magnesium und Lithium, die in der Legierung vorhanden sind, kann die Legierung Spurenmengen anderer Elemente, wie Calcium oder Zinn, enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Magnesium-Lithium-Legierung weniger als 2 Gew.-% anderer Elemente, wie weniger als 1 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 0,5 Gew.-%, wie weniger als 0,1 Gew.-%, zum Beispiel weniger als 0,05 Gew.-% anderer Elemente.
Es wurde festgestellt, dass Magnesium-Lithium-Legierungen zusätzliche Vorteile bei der Herstellung und Handhabung der Magnesium-Lithium-Legierung, während der Vorlithiierung und nach der Vorlithiierung bieten können. Zum Beispiel sind Magnesium-Lithium-Legierungen luftstabil im Vergleich zu reinem Lithium, das in einer trockenen und inerten Umgebung gehandhabt werden muss. Außerdem sind Magnesium-Lithium-Legierungen im Vergleich zu reinem Lithium preisgünstig. Wie bereits erwähnt, werden Magnesium-Lithium-Legierungen bei bestimmten Gewichtsverhältnissen als β-Phase mit einer BCC-Struktur hergestellt, die sich leicht zu dünnen Blechen walzen oder schmelzspinnen lässt.
Wie hierin beschrieben, können Magnesium-Lithium-Legierungen effektiv als Lithium-IonenQuelle verwendet werden, um Lithium-Ionen-Batterie-Anoden über einen dritten Anschluss elektrochemisch vorzulithiieren. Die Vorlithiierung kann in einem einstufigen Prozess durchgeführt werden, bei dem die Anode mit einer bestimmten gewünschten Menge an Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung gefüllt wird, so dass keine Ionenentziehung durchgeführt wird, wodurch die benötigte Menge an Lithium reduziert wird. Alternativ kann die Anode vollständig lithiiert werden (100 % SOC) und dann bei der Entziehung von Ionen auf den gewünschten SoC gebracht werden, was mehr Lithium erfordert, aber die Anode vollständig zykliert.
Wie hier weiter beschrieben, entlegiert die Magnesium-Lithium-Legierung während des Vorlithiierungsprozesses und bildet eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit von Lithium-Dendritenwachstum während der Vorlithiierungszyklen, im Gegensatz zur Vorlithiierung, die mit reinem Lithium als Lithiumquelle durchgeführt wird.
Obwohl in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt wurde, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass es eine große Anzahl von Variationen gibt. Es sollte auch verstanden werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken. Vielmehr soll die vorstehende detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zur Umsetzung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen geben. Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie in den beigefügten Ansprüchen und den rechtlichen Äquivalenten davon dargelegt, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer vorlithiierten Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: elektrochemisches Verbinden einer Magnesium-Lithium-Legierung mit einer Elektrode; Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode; und elektrochemisches Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 1 ferner umfassend, vor dem elektrochemischen Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Elektrode, Bestimmen einer ausgewählten Menge an Lithium-Ionen, die auf die Elektrode übertragen werden sollen, und Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen, wobei: das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der ausgewählten Menge an Lithium-Ionen das Bilden der Magnesium-Lithium-Legierung mit mindestens 10 Gew.-% Lithium und mindestens 98 Gew.-% Magnesium und Lithium, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, umfasst; das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Elektrode das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit einer Vielzahl von Elektroden umfasst; das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Vielzahl von Elektroden umfasst; und das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode das elektrochemische Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Vielzahl von Elektroden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorlithiieren der Elektrode durch Übertragen von Lithium-Ionen aus der Magnesium-Lithium-Legierung auf die Elektrode das Entlegieren der Magnesium-Lithium-Legierung umfasst, um eine poröse, magnesiumreiche Mikrostruktur mit einem Lithiumgehalt von weniger als 0,1 Gew.-% Lithium zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine Anode ist und wobei das Verfahren ferner umfasst: Anordnen einer Kathode, eines Kathoden/Anoden-Separators und der Anode nebeneinander vor dem Vorlithiieren der Anode; und elektrochemisches Verbinden der vorlithiierten Anode mit der Kathode zum Betrieb der Lithium-Ionen-Batteriezelle nach elektrochemischem Trennen der Magnesium-Lithium-Legierung von der Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Vorlithiieren der Anode das Umwandeln der Magnesium-Lithium-Legierung in eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur umfasst, wobei die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 10 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode das Anordnen der Magnesium-Lithium-Legierung angrenzend zur Anode umfasst, das Vorlithiieren der Anode das Umwandeln der Magnesium-Lithium-Legierung in eine poröse, magnesiumreiche Mikrostruktur umfasst; und das Verfahren ferner das Halten der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur angrenzend zur Anode während des Betriebs der Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: das elektrochemische Verbinden der Magnesium-Lithium-Legierung mit der Anode das Anordnen der Magnesium-Lithium-Legierung angrenzend zur Anode umfasst, das Vorlithiieren der Anode das Umwandeln der Magnesium-Lithium-Legierung in eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur umfasst; und das Verfahren ferner das Entfernen der porösen magnesiumreichen Mikrostruktur aus der Batterie vor dem Betrieb der Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst.
Elektrisches Fahrzeug, umfassend: ein Fahrzeuggestell; eine Batteriepackungsbaugruppe, die eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst, wobei die Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst: eine Kathode; eine vorlithiierte Anode, die elektrochemisch mit der Kathode verbunden ist; und eine poröse magnesiumreiche Mikrostruktur, die elektrochemisch von der vorlithiierten Anode getrennt ist.
Elektrisches Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 10 Gew.-% aufweist.
Elektrisches Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die poröse magnesiumreiche Mikrostruktur einen Lithiumgehalt von weniger als 0,1 Gew.-% aufweist.