DE102021114599A1 - Kondensatorgestützte lithium-schwefel-batterie - Google Patents

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Yong Lu
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterien mit Kondensatorelektroden und/oder kondensatorbasierten Zwischenschichten. Zum Beispiel ist eine kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie vorgesehen, die zwei oder mehr Zellen umfasst. Jede Zelle enthält mindestens zwei Elektroden, die ausgewählt sind aus: einer ersten Elektrode, die ein schwefelhaltiges elektroaktives Material enthält; einer zweiten Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material enthält; einer ersten Kondensatorelektrode, die ein positives kondensatoraktives Material enthält; und einer zweiten Kondensatorelektrode, die ein negatives kondensatoraktives Material enthält. Jede Elektrode kann benachbart zu einer Oberfläche eines Stromkollektors angeordnet sein, und ein Separator kann zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sein, um eine elektrische Trennung zu bewirken. Eine der zwei oder mehr Zellen enthält die erste Elektrode und die zweite Elektrode, und keine Zelle enthält sowohl die erste Elektrode als auch die erste Kondensatorelektrode oder sowohl die zweite Elektrode als auch die zweite Kondensatorelektrode. Jede Zelle kann außerdem mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht enthalten.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Lithium-Schwefel-Batterien können hohe Energiedichten liefern (z.B. bis zu ca. 2500 Wh/kg) und sind in der Regel kostengünstiger und umweltfreundlicher. In bestimmten Fällen können Lithium-Schwefel-Batterien jedoch eine begrenzte Leistungsfähigkeit aufweisen, z.B. aufgrund der isolierenden Eigenschaften von Schwefel und seinen Reduktionsprodukten (z.B. in Form von Li2S und/oder Li2S2). Dementsprechend wäre es wünschenswert, Materialien und Systeme zu entwickeln, die sowohl hohe Energiedichten als auch erhöhte Leistungsfähigkeiten aufweisen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie, die eine oder mehrere Kondensatorelektroden und/oder eine oder mehrere kondensatorbasierte Zwischenschichten enthält.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie bereit, die zwei oder mehr Zellen umfasst. Jede Zelle enthält mindestens zwei Elektroden, die ausgewählt sind aus: einer ersten Elektrode, die ein schwefelhaltiges elektroaktives Material enthält; einer zweiten Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material enthält; einer ersten Kondensatorelektrode, die ein positives kondensatoraktives Material enthält; und einer zweiten Kondensatorelektrode, die ein negatives kondensatoraktives Material enthält. Jede Elektrode kann benachbart zu einer Oberfläche eines Stromkollektors angeordnet sein, und ein Separator kann zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sein, um eine elektrische Trennung zwischen der ersten und zweiten Elektrode, der ersten Elektrode und der zweiten Kondensatorelektrode, der zweiten Elektrode und der ersten Kondensatorelektrode und der ersten und zweiten Kondensatorelektrode zu gewährleisten. Eine der zwei oder mehr Zellen enthält die erste Elektrode und die zweite Elektrode, und keine Zelle enthält sowohl (zusammen) die erste Elektrode und die erste Kondensatorelektrode oder sowohl (zusammen) die zweite Elektrode und die zweite Kondensatorelektrode.
  • In einem Aspekt kann die erste Elektrode außerdem ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten.
  • In einem Aspekt enthält die erste Elektrode mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials.
  • In einem Aspekt kann das Schwefel-Wirtsmaterial aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen, amorphem Kohlenstoff, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoffkugeln, Kohlenstoff-Nanokäfig, Graphen, Graphenoxid, reduziertem Graphenoxid, dotiertem Kohlenstoff, Polyanilin (PAN), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (Pt), Polyanilin (PAni), Poly(3,4-ethylendioxythiophen:Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS), TiO2, SiO2, CoS2, Ti4O7, CeO2, MoO3, V2O5, SnO2, Ni3S2, MoS2, FeS, VS2, TiS2, TiS, CoS2, Co9S8, NbS, VN, TiN, Ni2N, CrN, ZrN, NbN, TiC, Ti2C, B4C, Ni-basierten MOFs, Ce-basierten MOFs, Polypyrrol/Graphen, Vanadiumnitrid/Graphen, MgB2, TiCl2, Phosphoren, C3B, Li4Ti5O12 und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt umfasst das negative elektroaktive Material Lithiummetall.
  • In einem Aspekt kann das positive kondensatoraktive Material aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anderen porösen Kohlenstoffmaterialien, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das negative kondensatoraktive Material aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, lithiierter Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt enthält jede Zelle die erste Elektrode und die zweite Elektrode, und jede Zelle kann außerdem mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht enthalten.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrode und dem Separator angeordnet sein.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht ein positives kondensatoraktives Material enthalten. Das positive kondensatoraktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anderen porösen Kohlenstoffmaterialien, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet sein.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht ein negatives kondensatoraktives Material enthalten. Das negative kondensatoraktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, lithiierter Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht eine erste kondensatorbasierte Schicht und eine zweite kondensatorbasierte Schicht umfassen. Die erste kondensatorbasierte Schicht kann zwischen der ersten Elektrode und dem Separator angeordnet sein. Die zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht kann zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet sein. Die erste kondensatorbasierte Schicht kann eine positive kondensatorbasierte Schicht sein. Die zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht kann eine negative kondensatorbasierte Schicht sein.
  • In einem Aspekt kann die mindestens eine kondensatorbasierte Schicht eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine kondensatorgestützte elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle bereit. Die kondensatorgestützte elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle kann enthalten einen ersten Stromkollektor mit einer ersten Oberfläche; eine erste Elektrode, die angrenzend an die erste Oberfläche des ersten Stromkollektors angeordnet ist; einen zweiten Stromkollektor mit einer ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche des zweiten Stromkollektors im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche des ersten Stromkollektors ist; eine Kondensatorelektrode, die angrenzend an die erste Oberfläche des zweiten Stromkollektors angeordnet ist; und einem Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der Kondensatorelektrode angeordnet ist. Die erste Elektrode kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material enthalten. Die Kondensatorelektrode kann ein negatives kondensatoraktives Material enthalten.
  • In einem Aspekt kann die erste Elektrode mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% eines Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • In einem Aspekt kann das negative kondensatoraktive Material aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, lithiierter Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine kondensatorgestützte elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle bereit. Die kondensatorgestützte elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle kann enthalten einen ersten Stromkollektor mit einer ersten Oberfläche; eine erste Elektrode, die angrenzend an die erste Oberfläche des ersten Stromkollektors angeordnet ist; einen zweiten Stromkollektor mit einer ersten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche des zweiten Stromkollektors im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche des ersten Stromkollektors ist; eine zweite Elektrode, die angrenzend an die erste Oberfläche des zweiten Stromkollektors angeordnet ist; einen Separator, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist; und eine kondensatorbasierte Zwischenschicht, die zwischen der ersten Elektrode und dem Separator oder zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet ist. Die erste Elektrode kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material enthalten. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.
  • In einem Aspekt kann die kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrode und dem Separator angeordnet sein. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht kann ein positives kondensatoraktives Material enthalten. Das positive kondensatoraktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anderen porösen Kohlenstoffmaterialien, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet sein. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht kann ein negatives kondensatoraktives Material enthalten. Das negative kondensatoraktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • Figurenliste
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer Lithiumionen-Kondensatorkathode;
    • 2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer Lithiumionen-Kondensatoranode;
    • 3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einem elektrischen Doppelschichtkondensator (EDLC);
    • 4 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer asymmetrischen Kathode;
    • 5 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer asymmetrischen Anode;
    • 6 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer kondensatorbasierten Zwischenschicht, die zwischen einer Kathode und einem Separator angeordnet ist;
    • 7 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer kondensatorbasierten Zwischenschicht, die zwischen einer Anode und einem Separator angeordnet ist; und
    • 8 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer ersten kondensatorbasierten Zwischenschicht, die zwischen einer Kathode und einem Separator angeordnet ist, und einer zweiten kondensatorbasierten Zwischenschicht, die zwischen einer Anode und dem Separator angeordnet ist.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
  • Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich auf verbesserte elektrochemische Zellen, die eine oder mehrere Kondensatorkomponenten oder -additive enthalten und die in Energiespeichergeräte, z.B. Lithium-Schwefel-Batterien, eingebaut werden können. Solche elektrochemischen Zellen können hybride Strukturen aufweisen, um die hohe Leistungsfähigkeit von Kondensatoren mit der hohen Energiedichte von Lithium-Schwefel-Batterien zu integrieren. In verschiedenen Fällen können die elektrochemischen Zellen und Energiespeicher z.B. in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt werden. Die beschriebenen elektrochemischen Zellen und Energiespeicher mit solchen elektrochemischen Zellen können jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen.
  • Typische Lithium-Schwefel-Batterien umfassen eine erste Elektrode (z.B. eine positive Schwefel-Elektrode oder Schwefel-Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Lithium-Elektrode oder Lithium-Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. Die erste und zweite Elektrode sind jeweils mit einem ersten und zweiten Stromkollektor (typischerweise ein Metall, wie Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode) verbunden. Die zu den beiden Elektroden gehörenden Stromkollektoren sind durch eine externe Schaltung verbunden, die den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport der Lithiumionen durch die Batteriezelle zu kompensieren. So kann z.B. während der Entladung der Zelle der interne Lithiumionen (Li+)-Ionenstrom von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode durch den elektronischen Strom kompensiert werden, der durch den externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode der Batteriezelle fließt. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen geeignet und kann in verschiedenen Aspekten in flüssiger, gelartiger oder fester Form vorliegen.
  • In verschiedenen Aspekten können mehrere Lithium-Schwefel-Batteriezellen in einem elektrochemischen Gerät elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Zum Beispiel können Lithium-Schwefel-Batteriezellen in einer Stapel- oder Wickelkonfiguration elektrisch gekoppelt werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Stapel beinhalten oft die Positionierung von ersten und zweiten Stromkollektoren und entsprechenden ersten und zweiten Elektroden in abwechselnder Anordnung mit einem Separator und/oder Elektrolyten, der zwischen den Elektroden angeordnet ist. Die Stromkollektoren können elektrisch in einer seriellen oder parallelen Anordnung verbunden sein. Bei hybridisierten oder kondensatorgestützten Lithium-Schwefel-Batterien kann ein Kondensatormaterial, das eine Kondensatorfunktion erfüllt, in den Zellenstapel integriert werden. In verschiedenen Aspekten können die kondensatorgestützten Batterien beispielsweise eine oder mehrere Kondensatorkomponenten oder -schichten enthalten, die parallel oder gestapelt zu einer oder mehreren der Elektroden der Batterie angeordnet sind.
  • Solche kondensatorgestützten Lithium-Schwefel-Batterien können mehrere Vorteile bieten, wie z.B. ein besseres Leistungsverhalten sowie eine verbesserte Langzeitleistung. Zum Beispiel kann das Leistungsverhalten durch den Einbau von Kondensator-Komponentenschichten oder -materialien verbessert werden. Jede der Elektroden, einschließlich positiver und negativer Elektroden und Kondensatorelektroden, innerhalb eines Hybridbatteriepacks oder einer -Zelle kann elektrisch mit einem Stromkollektor verbunden sein. Während des Betriebs der Batterie sind die zu den Elektroden gehörenden Stromkollektoren durch eine externe Schaltung verbunden, die den durch Elektronen erzeugten Strom zwischen den Elektroden fließen lässt, um den Transport der Lithiumionen zu kompensieren.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer beispielhaften kondensatorgestützten Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt. Die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst eine Vielzahl von Zellen 10A-10C. Obwohl nur drei Zellen dargestellt sind, werden Fachleute verstehen, dass die vorliegende Lehre auch für verschiedene andere Batteriekonfigurationen gilt, einschließlich Batterien mit weniger oder mehr Zellen, wie durch die Auslassungspunkte dargestellt. Jede Zelle 10A-10C enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Mindestens eine der Zellen 10A-10C enthält eine Kondensatorelektrode (z.B. Lithiumionen-Kondensatorkathode) 30 anstelle einer der Elektroden 22, 24. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine Kondensatorelektrode 30 anstelle der Kathode 24 in einer ersten Zelle 10A angeordnet sein. In jedem Fall sorgt der Separator 26 für eine elektrische Trennung (verhindert z.B. den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 22, 24, 30. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 100, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder der Kondensatorelektrode 30 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 durch einen Festkörperelektrolyten gebildet werden. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein (nicht abgebildet).
  • Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 22 positioniert sein, und ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 24 und/oder Kondensatorelektrode 30 positioniert sein. Die Stromkollektoren 32 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negativen Elektroden 22 (über die Stromkollektoren 32 der negativen Elektrode) und die positiven Elektroden 24 und/oder Kondensatorelektroden 30 (über die Stromkollektoren 34 der positiven Elektrode) verbinden.
  • Bei den Stromkollektoren 32 der negativen Elektrode kann es sich um Metallfolien, Metallgitter oder -siebe oder um Streckmetalle handeln, die Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material umfassen, das Fachleuten bekannt ist (wie nur z.B. Aluminium, Nickel, Eisen, Titan, Zinn und dergleichen). Die Stromkollektoren 32 der negativen Elektrode können Dicken von größer oder gleich ca. 4 µm bis kleiner oder gleich ca. 100 µm aufweisen.
  • Bei den Stromkollektoren 34 der positiven Elektrode kann es sich um Metallfolien, Metallgitter oder -siebe oder um Streckmetalle handeln, die aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, das Fachleuten bekannt ist (wie nur z.B. Kupfer, Edelstahl, Nickel, Eisen, Titan und Zinn und dergleichen). In bestimmten Aspekten können die Stromkollektoren 34 der positiven Elektrode beispielsweise zweidimensionale Stromkollektoren sein, die Dicken von mehr als oder gleich etwa 4 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm aufweisen und nur beispielsweise Aluminium, kohlenstoffbeschichtetes Aluminium, Edelstahl, Nickel, Eisen, Titan, Kupfer, Zinn und andere ähnliche leitfähige Materialien umfassen. In anderen Variationen können die Stromkollektoren 34 der positiven Elektrode dreidimensionale Stromkollektoren sein, die eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 4 µm bis weniger als oder gleich etwa 2000 µm haben und nur beispielsweise einen vermaschten Stromkollektor, Aluminiumschaum, Nickelschaum, Kupferschaum, einen dreidimensionalen Stromkollektor aus Kohlenstoff-Nanofasern, Graphenschaum, Kohlenstoffgewebe, in Kohlenstofffasern eingebettete Kohlenstoff-Nanoröhren, einen dreidimensionalen Stromkollektor aus Kohlenstoff-Nanoröhren (wie z.B. Kohlenstoff-Nanoröhrenpapier), Graphen-/Nickelschaum und dergleichen umfassen.
  • Obwohl nicht abgebildet, werden die Fachleute erkennen, dass die vorliegende Lehre auch für verschiedene andere Elektrodenkonfigurationen gilt, einschließlich beispielsweise kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterien, die eine oder mehrere zusätzliche negative Elektroden, eine oder mehrere zusätzliche positive Elektroden und eine oder mehrere zusätzliche Kondensator-, kondensatorgestützte oder zusammengesetzte Elektroden umfassen. In jedem Fall enthalten die kondensatorgestützten Batterien abwechselnd Stapel negativer Elektroden, die von den positiven Elektroden oder positiven Kondensatorelektroden durchsetzt sind, oder Stapel positiver Elektroden, die von negativen Elektroden oder negativen Kondensatorelektroden durchsetzt sind.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negativen Elektroden 22 und die positiven Elektroden 24 und/oder die Kondensatorelektroden 30 zu verbinden) und die negativen Elektroden 22 ein niedrigeres Potential als die positiven Elektroden 24 haben. In jedem Fall treibt die chemische Potentialdifferenz zwischen den positiven Elektroden 24 und den negativen Elektroden 22 Elektronen, die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von Lithium (z.B. Lithiummetall), an den negativen Elektroden 22 erzeugt werden, durch den externen Stromkreis 40 zu den positiven Elektroden 24 und/oder Kondensatorelektroden 30. Lithiumionen, die an den negativen Elektroden 22 entstehen, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 100 in Richtung der positiven Elektroden 24 und/oder Kondensatorelektroden 30 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 100 enthält, um z.B. an den positiven Elektroden 24 schrittweise Li2S und/oder Li2S2 zu bilden und/oder von der Kondensatorelektrode 30 adsorbiert zu werden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 100 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der elektrische Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, kann genutzt und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis die Kapazität der Batterie 20 verbraucht ist.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Der Anschluss einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von Li2S und/oder Li2S2, an der positiven Elektrode 24 und/oder die Desorption von Li+ an den Kondensatorelektroden 30, so dass Elektronen und Lithiumionen entstehen. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 100 über den Separator 26 zurück zu den negativen Elektroden 22, um die negativen Elektroden 22 mit Lithium zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen den positiven Elektroden 24 und/oder Kondensatorelektroden 30 und den negativen Elektroden 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
  • In vielen Konfigurationen der Batterie 20 können jeweils die Stromkollektoren 32 für die negative Elektrode, die negativen Elektroden 22, die Separatoren 26, die positiven Elektroden 24, die Stromkollektoren 34 für die positive Elektrode und die Kondensatorelektroden 30 als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt werden, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negativen Elektroden 22, die positiven Elektroden 24, die Kondensatorelektroden 30 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 100 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die aktuelle Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien, die Festkörperelektrolyte und elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die einen anderen Aufbau haben können, wie Fachleuten bekannt ist.
  • Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen- und/oder Lithium-Schwefel-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22, die Kondensatorelektroden 30 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 100 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen den negativen Elektroden 22 und den positiven Elektroden 24 und/oder den Kondensatorelektroden 30 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 100, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen den negativen Elektroden 22 und den positiven Elektroden 24 und/oder den Kondensatorelektroden 30 leiten kann, kann in der Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 100 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 100 ferner ein oder mehrere Additive enthalten. Beispielsweise kann der Elektrolyt 100 mehr als oder gleich etwa 0,01 M bis weniger als oder gleich etwa 1,0 M des einen oder der mehreren Additive enthalten. Die ein oder mehreren Additive können nur z.B. LiNO3, Li2S, (wobei 4 ≤ x ≤ 8), P2S5, phosphorhaltige Flammschutzadditive (z.B. Tris(2,2,2-trifluorethyl)phosphit (TTFP)), Redox-Mediatoren (z.B. Lil) und dergleichen umfassen. In der Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen 100 verwendet werden.
  • In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 100 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze (z.B. größer oder gleich etwa 0,5 M bis kleiner oder gleich etwa 20 M) enthält, die in einem organischen Lösungsmittel oder einer Mischung organischer Lösungsmittel gelöst sind. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumbis(trifluoromethylsulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI) Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen davon.
  • Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan (DME), 1-2-Diethoxy-ethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan (DOL)), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan), fluorierte Ether (z.B. 1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-Tetrafluorpropylether (HFE)), aprotische ionische Flüssigkeit (z.B. N-Methyl-N-butylpiperidinium bis(trifluormethansulfonyl)amid ([PP14][TFSI])), Solvat-Ionen-Flüssigkeit (z.B. Tetraglyme (G4)) und Kombinationen davon.
  • In bestimmten Aspekten umfassen beispielhafte Elektrolytsysteme 100 1 M Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) in 1,3-Dioxolan (DOL)/1,2-Dimethoxyethan (DME) (1:1 v/v), 1 M Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) in 1,3-Dioxolan (DOL)/1,2-Dimethoxyethan (DME) (1:1 v/v) mit 0,1 M LiNO3, und 1,0 M Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) in 1,3-Dioxolan (DOL)/1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-Tetrafluorpropylether (HFE) (1:2 v/v) als nicht einschränkendes Beispiel. In anderen Variationen sind die beispielhaften Elektrolytsysteme 100 konzentrierte Elektrolyte, die nur z.B. enthalten 7 M Lithiumbis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) in 1,2-Dimethoxyethan (DME)/1,3-Dioxolan (DOL), 1 M Lithium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid (LiTFSI) in N-methyl-N-butylpiperidiniumbis(trifluormethansulfonyl)amid ([PP14][TFSI]), [Li(G4)][TFSI]/4(1,1,2,2-Tetrafluorethyl-2,2,3,3-tetrafluorpropylether (HFE)), 0,2 M LiOH wässrige Lösung, und dergleichen.
  • Der Separator 26 kann ein poröser Separator sein, der eine Porosität von größer oder gleich ca. 30 Vol.-% bis kleiner oder gleich ca. 80 % aufweist. Der Separator 26 kann in bestimmten Fällen ein mikroporöser polymeren Separator sein, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
  • Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 mit einem keramischen Material gemischt oder seine Oberfläche mit einem keramischen Material beschichtet sein. Zum Beispiel kann eine keramische Beschichtung Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2), Titanoxid (TiO2) oder Kombinationen davon enthalten. In anderen Variationen kann der Separator 26 mit einer oder mehreren Beschichtungen versehen sein, die so konfiguriert sind, dass sie die Diffusion von Polysulfid blockieren. Der Separator 26 kann zum Beispiel enthalten mit KETJENBLACK®-Kohlenstoff beschichtetes Polypropylen (PP), mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichtetes Polypropylen (PP), mit Graphenoxid beschichtetes Polypropylen (PP), mit Graphen beschichtetes Polypropylen (PP), mit MOF beschichtetes Polypropylen (PP), mit MoS2 beschichtetes Polypropylen (PP), mit MoS2/Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschichtetes Polypropylen (PP), mit MnO beschichtetes Polypropylen (PP), mit Li4Ti5O12/Graphen beschichtetes Polypropylen (PP) und dergleichen. In noch anderen Variationen kann der Separator 26 bestehen aus mit Polydopamin beschichtetem Polyolefin, mit Nafion beschichtetem Polypropylen (PP), mit Nanoröhrchen/Polyethylenglykol (PEG) beschichtetem Polypropylen (PP), mit SiO2/Polyethylenoxid (PEO) beschichtetem Polypropylen (PP) und dergleichen. Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und der Elektrolyt 100 in 1 durch einen Festkörperelektrolyten (SSE) (nicht gezeigt) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Der Festkörperelektrolyt kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der Festkörperelektrolyt erleichtert den Transfer von Lithiumionen, während er die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel können Festkörperelektrolyte enthalten LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2O12, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99Ba0,005CIO oder Kombinationen davon.
  • Jede negative Elektrode 22 umfasst ein Lithiummaterial, das eine Lithiumquelle bereitstellt, die zu elektrochemischen Reaktionen mit dem schwefelhaltigen positiven elektroaktiven Material fähig ist. Die negative Elektrode 22 kann beispielsweise negative elektroaktive Materialien enthalten, die Lithium enthalten, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen umfassen die negativen Elektroden 22 einen oder mehrere Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung bestehen. In bestimmten Variationen können die negativen Elektroden 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Zur Bildung der negativen Elektroden 22 können auch andere negative elektroaktive Materialien verwendet werden, z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle), Lithium-Silicium und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, SiOx Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO2 und dergleichen) und/oder Metalloxide (wie Fe3O4). In bestimmten alternativen Ausführungsformen werden Lithium-Titan-Anodenmaterialien in Betracht gezogen, wie z.B. Li4+xTi5O12, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) (LTO). Solche elektroaktiven Materialien sollten lithiiert sein.
  • In jedem Fall kann das die negative Elektrode 22 bildende negative elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das negative elektroaktive Material in der negativen Elektrode 22 optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie z.B. nackten Alginatsalzen), Poly(tetrafluorethylen) (PTFE), Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und Kombinationen davon. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Ruß, Graphit, Acetylenruß (z.B. KET-CHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus Dampf gewachsene Carbonfasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und Ähnliches umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
  • Beispielsweise können die negativen Elektroden 22 enthalten jeweils mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die negativen Elektroden 22 können Dicken von größer oder gleich etwa 0,2 µm bis kleiner oder gleich etwa 500 µm haben.
  • Jede positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen (nicht dargestellt) gebildet sein, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektroden 24 zu bilden. Die positiven Elektroden 24 können zum Beispiel ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel enthält. Die positive Elektrode 24 kann zum Beispiel ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Das schwefelhaltige elektroaktive Material kann, nur z.B., S enthalten. Das Schwefel-Wirtsmaterial kann ein auf Kohlenstoff basierender Wirt sein, einschließlich, nur zum Beispiel, Kohlenstoff-Nanoröhren, amorpher Kohlenstoff (z.B. Ruß, wie KETJENBLACK®), poröser Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoffkugeln, Kohlenstoff-Nanokäfig, Graphen, Graphenoxid, reduziertes Graphenoxid, dotierter Kohlenstoff (z.B. N-dotierte Kohlenstoff-Nanoröhren) und Hybride und dergleichen. In bestimmten Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial sein ein leitfähiges Wirtsmaterial auf Polymerbasis, einschließlich, nur zum Beispiel, Polyanilin (PAN), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (Pt), Polyanilin (PAni), Poly(3,4-ethylendioxythiophen:Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) und dergleichen. In anderen Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial sein ein Wirtsmaterial auf Metalloxidbasis, einschließlich, nur zum Beispiel, TiO2, SiO2, CoS2, Ti4O7, CeO2, MoO3, V2O5, SnO2 und dergleichen; ein auf Metallsulfid basierender Wirt, einschließlich, nur zum Beispiel, Ni3S2, MoS2, FeS, VS2, TiS2, TiS, CoS2, Co9S8, NbS und dergleichen; ein Wirt auf Metallnitridbasis, der nur z.B. VN, TiN, Ni2N, CrN, ZrN, NbN und dergleichen; ein Wirt auf Metallkarbidbasis, einschließlich, nur zum Beispiel, TiC, Ti2C, B4C und dergleichen; ein Wirt auf Basis eines metallorganischen Gerüsts (MOF), einschließlich, nur zum Beispiel, Ni-basierter-MOFs, Ce-basierter-MOFs und dergleichen; und Hybride oder Kombinationen davon (z.B. Polypyrrol/Graphen, Vanadiumnitrid/Graphen und dergleichen). In noch anderen Variationen kann das Schwefel-Wirtsmaterial MgB2, TiCl2, Phosphoren, C3B, Li4Ti5O12 und dergleichen umfassen. Solche Schwefel-Wirtsmaterialien können den Elektronentransfer an der Schwefel/Wirts-Grenzfläche verbessern, volumetrische Änderungen innerhalb der Zelle 20 aufnehmen, Polysulfid-Shuttles minimieren und/oder Umwandlungen zwischen Polysulfid-Zwischenprodukten fördern.
  • Die positiven elektroaktiven Materialien, die die positiven Elektroden 24 bilden, können optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien und elektronisch oder elektrisch leitenden Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden wie Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(vinylpyrrolidon) (PVP), Poly(ethylenglykol) (PEG), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Elektrisch leitende Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverisiertes Nickel oder andere Metallteilchen (z.B. Metalldraht und/oder Metalloxide) oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus Dampf gewachsene Carbonfasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und Ähnliches umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • Beispielsweise kann jede positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-%, des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials enthalten; mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die positiven Elektroden 24 können Dicken von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm aufweisen.
  • Wie oben erwähnt, kann die Kondensatorelektrode 30 eine positive Kondensatorelektrode (z.B. Kondensatorkathode) sein, oder in bestimmten anderen Aspekten eine negative Kondensatorelektrode (z.B. Kondensatoranode), wie unten beschrieben. Die positive Kondensatorelektrode 30 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm. Die positive Kondensatorelektrode 30 kann ein kondensatoraktives Material enthalten, z.B. ein positives kondensatoraktives Material. Das positive kondensatoraktive Material kann nur z.B. Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, leitende Polymere (z.B. PEDOT) und ähnliches umfassen.
  • Das positive kondensatoraktive Material, das die positive Kondensatorelektrode 30 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel können das positive kondensatoraktive Material und elektronisch oder elektrisch leitenden Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden wie Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(vinylpyrrolidon) (PVP), Poly(ethylenglykol) (PEG), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Elektrisch leitende Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverisiertes Nickel oder andere Metallteilchen (z.B. Metalldraht und/oder Metalloxide) oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (z.B. KET-CHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus Dampf gewachsene Carbonfasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und Ähnliches umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • Zum Beispiel kann die positive Kondensatorelektrode 30 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des positiven kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 120 ist in 2 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst die kondensatorgestützte Batterie 120 eine Vielzahl von Zellen 110A-110C. Jede Zelle 110A-110C enthält eine negative Elektrode 122 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 124 (z.B. Kathode) und einen Separator 126, der zwischen den zwei Elektroden 122, 124 angeordnet ist. Mindestens eine der Zellen 110A-110C enthält anstelle einer der Elektroden 122, 124 eine Kondensatorelektrode 136. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine Kondensatorelektrode (z.B. Lithiumionen-Kondensatoranode) 136 anstelle der Anode 122 in einer dritten Zelle 110C angeordnet sein. In jedem Fall sorgt der Separator 126 für eine elektrische Trennung (verhindert z.B. den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 122, 124, 136. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 126 einen Elektrolyten 160, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 122, der positiven Elektrode 124 und/oder der Kondensatorelektrode 136 vorhanden sein kann.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 120 einen oder mehrere Stromkollektoren 132 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 134 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 132 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 122 und/oder Kondensatorelektrode 136 positioniert sein, und ein Stromkollektor 134 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 124 positioniert sein. Die Stromkollektoren 132 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 134 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 140. Zum Beispiel kann eine unterbrechbare externe Schaltung 140 und eine Lastvorrichtung 142 die positiven Elektroden 124 (über die Stromkollektoren 134 der positiven Elektrode) und die negativen Elektroden 122 (über die Stromkollektoren 132 der negativen Elektrode) und/oder Kondensatorelektroden 136 (über die Stromkollektoren 132 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 kann jede negative Elektrode 122 ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 122 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 124 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 124 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 124 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Die Kondensatorelektrode 136 kann eine negative Kondensatorelektrode (z.B. eine Kondensatoranode) sein. Die Kondensatorelektrode 136 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm. Die Kondensatorelektrode 136 kann ein lithiiertes kondensatoraktives Material enthalten, z.B. ein lithiiertes negatives kondensatoraktives Material, das Lithium (z.B. eine Lithiumquelle) für die elektrochemische Reaktion bereitstellt. Das negative kondensatoraktive Material kann nur z.B. lithiierte Aktivkohle, lithiierte Weichkohle, lithiierte Hartkohle, lithiierte Metalloxide, lithiierte Metallsulfide und dergleichen enthalten.
  • Das lithiierte negative kondensatoraktive Material, das die negative Kondensatorelektrode 136 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitenden Material, das einen Elektronenleitpfad bereitstellt, und/oder mindestens einem polymeren Bindermaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert, vermischt sein. Zum Beispiel können das negative kondensatoraktive Material und elektronisch oder elektrisch leitenden Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden wie Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(vinylpyrrolidon) (PVP), Poly(ethylenglykol) (PEG), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Elektrisch leitende Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, pulverisiertes Nickel oder andere Metallteilchen (z.B. Metalldraht und/oder Metalloxide) oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (z.B. KET-CHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus Dampf gewachsene Carbonfasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und Ähnliches umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • Zum Beispiel kann die negative Kondensatorelektrode 136 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des negativen kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 220 ist in 3 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst auch die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 220 eine Vielzahl von Zellen 210A-210C. Jede Zelle 210A-210C enthält eine negative Elektrode 222 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 224 (z.B. Kathode) und einen Separator 226, der zwischen den zwei Elektroden 222, 224 angeordnet ist. Mindestens eine der Zellen 210A-210C enthält eine Kondensatorelektrode 230, 236 anstelle einer der Elektroden 222, 224. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine negative Kondensatorelektrode (z.B. Lithiumionen-Kondensatoranode) 236 anstelle der Anode 222 in der zweiten Zelle 210B angeordnet sein. Außerdem kann jede Elektrode 222, 224 in der ersten Zelle 210A durch Kondensatorelektroden 230, 236 ersetzt werden. Zum Beispiel kann die erste Zelle 210A eine positive Kondensatorelektrode 230, eine negative Kondensatorelektrode 236 und einen dazwischen angeordneten Separator 236 enthalten. In jedem Fall sorgt der Separator 226 für eine elektrische Trennung (verhindert z.B. den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 222, 224, 230, 236. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 226 einen Elektrolyten 260, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 222, der positiven Elektrode 224 und/oder der Kondensatorelektrode 236 vorhanden sein kann.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 220 einen oder mehrere Stromkollektoren 232 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 234 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 232 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 222 und/oder Kondensatorelektrode 236 positioniert sein, und ein Stromkollektor 234 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 224 positioniert sein. Die Stromkollektoren 232 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 234 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 240. Zum Beispiel kann eine unterbrechbare externe Schaltung 240 und eine Lastvorrichtung 242 die positiven Elektroden 224 (über die Stromkollektoren 234 der positiven Elektrode) und/oder die positiven Kondensatorelektroden 230 (über die Stromkollektoren 234 der positiven Elektrode) und die negativen Elektroden 222 (über die Stromkollektoren 232 der negativen Elektrode) und/oder die negativen Kondensatorelektroden 236 (über die Stromkollektoren 232 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 222 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 222 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 224 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 224 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 224 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Wie die positive Kondensatorelektrode 30 kann auch die positive Kondensatorelektrode 230 eine zusammengesetzte positive Elektrode (z.B. Kondensatorkathode) sein, die ein positives kondensatoraktives Material enthält. Die positive Kondensatorelektrode 230 kann nur z.B. Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, leitende Polymere (z.B. PEDOT) und ähnliches enthalten. Die positive Kondensatorelektrode 230 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm.
  • Das positive kondensatoraktive Material, das die positive Kondensatorelektrode 230 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel kann die positive Kondensatorelektrode 230 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des positiven kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Wie die negative Kondensatorelektrode 136 kann die negative Kondensatorelektrode 236 eine zusammengesetzte negative Elektrode (z.B. Kondensatoranode) sein, die ein negatives kondensatoraktives Material umfasst, z.B. ein lithiiertes negatives kondensatoraktives Material, das Lithium (z.B. eine Lithiumquelle) für die elektrochemische Reaktion bereitstellt. Das negative kondensatoraktive Material kann nur z.B. lithiierte Aktivkohle, lithiierte Weichkohle, lithiierte Hartkohle, lithiierte Metalloxide, lithiierte Metallsulfide und dergleichen enthalten. Die negative Kondensatorelektrode 236 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm.
  • Das negative kondensatoraktive Material, das die negative Kondensatorelektrode 236 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel kann die negative Kondensatorelektrode 236 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 320 ist in 4 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst auch die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 320 eine Vielzahl von Zellen 310A-310C. Jede Zelle 310A-310C enthält eine negative Elektrode 322 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 324 (z.B. Kathode) und einen Separator 326, der zwischen den zwei Elektroden 322, 324 angeordnet ist. Mindestens eine der Zellen 310A-310C enthält anstelle einer der Elektroden 322, 324 eine Kondensatorelektrode 330. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine positive Kondensatorelektrode (z.B. Lithiumionen-Kondensatorkathode) 330 anstelle der Kathode 324 in einer zweiten Zelle 310B angeordnet werden, um eine asymmetrische Kathodenelektrode zu bilden. In jedem Fall sorgt der Separator 326 für eine elektrische Trennung (verhindert z.B. den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 322, 324, 330. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 326 einen Elektrolyten 360, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 322, der positiven Elektrode 324 und/oder der positiven Kondensatorelektrode 330 vorhanden sein kann.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 320 einen oder mehrere Stromkollektoren 332 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 334 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 332 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 322 positioniert sein, und ein Stromkollektor 334 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 324 und/oder positiven Kondensatorelektrode 330 positioniert sein. Die Stromkollektoren 332 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 334 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 340. Zum Beispiel kann eine unterbrechbare externe Schaltung 340 und eine Lastvorrichtung 342 die negativen Elektroden 322 (über die Stromkollektoren 332 der negativen Elektrode) und die positiven Elektroden 324 (über die Stromkollektoren 334 der positiven Elektrode) und/oder die positiven Kondensatorelektroden 330 (über die Stromkollektoren 334 der positiven Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 322 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 322 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 324 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 324 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 324 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Wie die positive Kondensatorelektrode 30 kann auch die positive Kondensatorelektrode 330 eine zusammengesetzte positive Elektrode (z.B. Kondensatorkathode) sein, die ein positives kondensatoraktives Material enthält. Die positive Kondensatorelektrode 330 kann nur z.B. Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, leitende Polymere (z.B. PEDOT) und ähnliches enthalten. Die positive Kondensatorelektrode 330 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm.
  • Das positive kondensatoraktive Material, das die positive Kondensatorelektrode 330 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel kann die positive Kondensatorelektrode 330 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des positiven kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 420 ist in 5 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst auch die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 420 eine Vielzahl von Zellen 410A-410C. Jede Zelle 410A-410C enthält eine negative Elektrode 422 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 424 (z.B. Kathode) und einen Separator 426, der zwischen den zwei Elektroden 422, 424 angeordnet ist. Mindestens eine der Zellen 410A-410C enthält anstelle einer der Elektroden 422, 424 eine Kondensatorelektrode 436. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine negative Kondensatorelektrode (z.B. Lithiumionen-Kondensatoranode) 436 anstelle der Anode 424 in einer zweiten Zelle 410B angeordnet werden, um eine asymmetrische Anodenelektrode zu bilden. In jedem Fall sorgt der Separator 426 für eine elektrische Trennung (verhindert z.B. den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 422, 424, 436. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 426 einen Elektrolyten 460, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 422, der positiven Elektrode 424 und/oder negativen Kondensatorelektrode 436 vorhanden sein kann.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 420 einen oder mehrere Stromkollektoren 432 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 434 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 432 für die negative Elektrode kann an oder in der Nähe jeder negativen Elektrode 422 und/oder negativen Kondensatorelektrode 436 positioniert sein, und ein Stromkollektor 434 für die positive Elektrode kann an oder in der Nähe jeder positiven Elektrode 424 positioniert sein. Die Stromkollektoren 432 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 434 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 440. Beispielsweise kann eine unterbrechbare externe Schaltung 440 und eine Lastvorrichtung 442 die positiven Elektroden 424 und die negativen Elektroden 422 (über die Stromkollektoren 432 der negativen Elektrode) und/oder negativen Kondensatorelektroden 436 (über die Stromkollektoren 432 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 422 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 422 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 424 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 424 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 424 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Wie die negative Kondensatorelektrode 136 kann die negative Kondensatorelektrode 436 eine zusammengesetzte negative Elektrode (z.B. Kondensatoranode) sein, die ein negatives kondensatoraktives Material umfasst, z.B. ein lithiiertes negatives kondensatoraktives Material, das Lithium (z.B. eine Lithiumquelle) für die elektrochemische Reaktion bereitstellt. Das negative kondensatoraktive Material kann nur z.B. lithiierte Aktivkohle, lithiierte Weichkohle, lithiierte Hartkohle, lithiierte Metalloxide, lithiierte Metallsulfide und dergleichen enthalten. Die negative Kondensatorelektrode 436 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 1000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 300 µm.
  • Das negative kondensatoraktive Material, das die negative Kondensatorelektrode 436 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel kann die negative Kondensatorelektrode 436 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 520 ist in 6 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 520 eine Vielzahl von Zellen 510A-510C. Jede Zelle 510A-510C enthält eine negative Elektrode 522 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 524 (z.B. Kathode) und einen Separator 526, der zwischen den zwei Elektroden 522, 524 angeordnet ist. Eine oder mehrere der Zellen 510A-510C enthalten eine kondensatorbasierte Zwischenschicht 530, die zwischen dem Separator 526 und der negativen Elektrode 522 und/oder der positiven Elektrode 524 angeordnet ist. Beispielsweise kann, wie dargestellt, eine erste kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 zwischen der positiven Elektrode 524 und dem Separator 526 in der ersten Zelle 510A angeordnet sein; eine zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 zwischen der positiven Elektrode 524 und dem Separator 526 in der zweiten Zelle 510B angeordnet sein; und eine dritte kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 zwischen der positiven Elektrode 524 und dem Separator 526 in der dritten Zelle 510C angeordnet sein. In jedem Fall sorgt der Separator 526 für eine elektrische Trennung (z.B. verhindert er den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 522, 524 und/oder der Zwischenschicht 530. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 526 einen Elektrolyten 560, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 522, der positiven Elektrode 524 und/oder der kondensatorbasierten Zwischenschicht 530 vorhanden sein kann.
  • Die kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 hat eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm und umfasst ein kondensatoraktives Material. Das kondensatoraktive Material kann ein positives kondensatoraktives Material sein. Das positive kondensatoraktive Material kann nur z.B. Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, leitende Polymere (z.B. PEDOT) und ähnliches umfassen. Das positive kondensatoraktive Material, das die kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert.
  • Beispielsweise kann die kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, des positiven kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht 530 kann durch Beschichtung der Zwischenschicht 530 auf die positive Elektrode 524 oder den Separator 526 gebildet werden.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 520 einen oder mehrere Stromkollektoren 532 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 534 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 532 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 522 positioniert sein, und ein Stromkollektor 534 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 524 positioniert sein. Die Stromkollektoren 532 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 534 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 540. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 540 und eine Lastvorrichtung 542 die positiven Elektroden 524 (über die Stromkollektoren 534 der positiven Elektrode) und die negativen Elektroden 522 (über die Stromkollektoren 532 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 522 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 522 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 524 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 524 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 524 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 620 ist in 7 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst auch die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 620 eine Vielzahl von Zellen 610A-610C. Jede Zelle 610A-610C enthält eine negative Elektrode 622 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 624 (z.B. Kathode) und einen Separator 626, der zwischen den zwei Elektroden 622, 624 angeordnet ist. Eine oder mehrere der Zellen 610A-610C enthalten eine kondensatorbasierte Zwischenschicht 636, die zwischen dem Separator 626 und der negativen Elektrode 622 und/oder positiven Elektrode 624 angeordnet ist. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, eine erste kondensatorbasierte Zwischenschicht 630 zwischen der negativen Elektrode 622 und dem Separator 626 in der ersten Zelle 610A angeordnet sein; eine zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht 630 zwischen der negativen Elektrode 622 und dem Separator 626 in der zweiten Zelle 610B angeordnet sein; und eine dritte kondensatorbasierte Zwischenschicht 630 zwischen der negativen Elektrode 622 und dem Separator 626 in der dritten Zelle 610C angeordnet sein. In jedem Fall sorgt der Separator 626 für eine elektrische Trennung (z.B. verhindert er den physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 622, 624 und/oder der Zwischenschicht 636. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 626 einen Elektrolyten 660, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 622, der positiven Elektrode 624 und/oder negativen Kondensatorelektrode 636 vorhanden sein kann.
  • Die kondensatorbasierte Zwischenschicht 636 hat eine Dicke von größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm und umfasst ein kondensatoraktives Material. Das kondensatoraktive Material kann ein negatives kondensatoraktives Material sein. Das negative kondensatoraktive Material kann nur z.B. lithiierte Aktivkohle, lithiierte Weichkohle, lithiierte Hartkohle, lithiierte Metalloxide, lithiierte Metallsulfide und dergleichen enthalten. Das negative kondensatoraktive Material, das die kondensatorbasierte Zwischenschicht 636 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert.
  • Beispielsweise kann die kondensatorbasierte Zwischenschicht 636 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, des negativen kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht 636 kann durch Auftragen der Zwischenschicht 636 auf die negative Elektrode 622 oder den Separator 626 gebildet werden.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 620 einen oder mehrere Stromkollektoren 632 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 634 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 632 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 622 positioniert sein, und ein Stromkollektor 634 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 624 positioniert sein. Die Stromkollektoren 632 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 634 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 640. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 640 und eine Lastvorrichtung 642 die positiven Elektroden 624 (über die Stromkollektoren 634 der positiven Elektrode) und die negativen Elektroden 622 (über die Stromkollektoren 632 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 622 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 622 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 624 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 624 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 624 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer kondensatorgestützten elektrochemischen Lithium-Schwefel-Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 720 ist in 8 dargestellt. Wie die in 1 dargestellte kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 20 umfasst auch die kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie 720 eine Vielzahl von Zellen 710A-710C. Jede Zelle 710A-710C enthält eine negative Elektrode 722 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 724 (z.B. Kathode) und einen Separator 726, der zwischen den zwei Elektroden 722, 724 angeordnet ist. Eine oder mehrere der Zellen 710A-710C enthalten eine oder mehrere kondensatorbasierte Zwischenschichten 730, 736, die zwischen dem Separator 726 und der negativen Elektrode 722 und/oder positiven Elektrode 724 angeordnet sind. Beispielsweise kann, wie dargestellt, eine erste positive kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 zwischen der positiven Elektrode 724 und dem Separator 726 angeordnet und eine erste negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 zwischen der negativen Elektrode 722 und dem Separator 726 in der ersten Zelle 710A angeordnet sein; eine zweite positive kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 kann zwischen der positiven Elektrode 724 und dem Separator 726 angeordnet sein, und eine zweite negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 kann zwischen der negativen Elektrode 722 und dem Separator 726 in der zweiten Zelle 710B angeordnet sein; und eine dritte positive kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 kann zwischen der positiven Elektrode 724 und dem Separator 726 angeordnet sein, und eine dritte negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 kann zwischen der negativen Elektrode 722 und dem Separator 726 in der dritten Zelle 710C angeordnet sein.
  • Die positive kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 hat eine Dicke von größer oder gleich ca. 0,1 µm bis kleiner oder gleich ca. 100 µm und umfasst ein positives kondensatoraktives Material. Das positive kondensatoraktive Material kann nur z.B. Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, andere poröse Kohlenstoffmaterialien, leitende Polymere (z.B. PEDOT) und ähnliches umfassen. Das positive kondensatoraktive Material, das die kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert.
  • Zum Beispiel kann die positive kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des positiven kondensatoraktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die kondensatorbasierte Zwischenschicht 730 kann durch Beschichtung der Zwischenschicht 730 auf die positive Elektrode 724 oder den Separator 726 gebildet werden.
  • Die negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 hat eine Dicke von größer oder gleich ca. 0,1 µm bis kleiner oder gleich ca. 100 µm und umfasst ein negatives kondensatoraktives Material. Das negative kondensatoraktive Material kann nur z.B. lithiierte Aktivkohle, lithiierte Weichkohle, lithiierte Hartkohle, lithiierte Metalloxide, lithiierte Metallsulfide und dergleichen enthalten. Das negative kondensatoraktive Material, das die kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 bildet, kann optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert.
  • Zum Beispiel kann die negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 enthalten mehr als oder gleich etwa 40 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen kondensatorbasierten Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die negative kondensatorbasierte Zwischenschicht 736 kann durch Auftragen der Zwischenschicht 736 auf die negative Elektrode 722 oder den Separator 726 gebildet werden.
  • Ähnlich wie die Batterie 20 enthält die Batterie 720 einen oder mehrere Stromkollektoren 732 der negativen Elektrode und Stromkollektoren 734 der positiven Elektrode. Ein Stromkollektor 732 für die negative Elektrode kann an oder nahe jeder negativen Elektrode 722 positioniert sein, und ein Stromkollektor 734 für die positive Elektrode kann an oder nahe jeder positiven Elektrode 724 positioniert sein. Die Stromkollektoren 732 für die negative Elektrode und die Stromkollektoren 734 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 740. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 740 und eine Lastvorrichtung 742 die positiven Elektroden 724 (über die Stromkollektoren 734 der positiven Elektrode) und die negativen Elektroden 722 (über die Stromkollektoren 732 der negativen Elektrode) verbinden.
  • Wie die negativen Elektroden 22 umfasst jede negative Elektrode 722 ein Lithium-Wirtsmaterial, das ein negatives elektroaktives Material umfassen kann, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen sind die negativen Elektroden 722 Filme oder Schichten, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet sind. Wie die positiven Elektroden 24 kann jede positive Elektrode 724 ein positives elektroaktives Material enthalten, das Schwefel umfasst. Die positive Elektrode 724 kann ein schwefelhaltiges elektroaktives Material und ein Schwefel-Wirtsmaterial enthalten. Die positive Elektrode 724 kann mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials enthalten.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims (10)

  1. Kondensatorgestützte Lithium-Schwefel-Batterie mit zwei oder mehr Zellen, wobei jede Zelle mindestens zwei Elektroden umfasst, die ausgewählt sind aus: einer ersten Elektrode, die ein schwefelhaltiges elektroaktives Material enthält; einer zweiten Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material enthält; einer ersten Kondensatorelektrode, die ein positives kondensatoraktives Material enthält; und einer zweiten Kondensatorelektrode, die ein negatives kondensatoraktives Material enthält, wobei jede Elektrode benachbart zu einer Oberfläche eines Stromkollektors angeordnet ist und ein Separator zwischen benachbarten Elektroden angeordnet ist, um eine elektrische Trennung zwischen der ersten und zweiten Elektrode, der ersten Elektrode und der zweiten Kondensatorelektrode, der zweiten Elektrode und der ersten Kondensatorelektrode sowie der ersten und zweiten Kondensatorelektrode zu bewirken, wobei eine der zwei oder mehr Zellen die erste Elektrode und die zweite Elektrode enthält und keine Zelle sowohl die erste Elektrode als auch die erste Kondensatorelektrode oder sowohl die zweite Elektrode als auch die zweite Kondensatorelektrode enthält.
  2. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode ferner ein Schwefel-Wirtsmaterial umfasst.
  3. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 2, wobei die erste Elektrode mehr als oder gleich etwa 20 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des schwefelhaltigen elektroaktiven Materials und mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 60 Gew.-% des Schwefel-Wirtsmaterials umfasst.
  4. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 2, wobei das Schwefel-Wirtsmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen, amorphem Kohlenstoff, porösem Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoffkugeln, Kohlenstoff-Nanokäfig, Graphen, Graphenoxid, reduziertem Graphenoxid, dotiertem Kohlenstoff, Polyanilin (PAN), Polypyrrol (PPy), Polythiophen (Pt), Polyanilin (PAni), Poly(3,4-ethylendioxythiophen:Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS), TiO2, SiO2, CoS2, Ti4O7, CeO2, MoO3, V2O5, SnO2, Ni3S2, MoS2, FeS, VS2, TiS2, TiS, CoS2, Co9S8\, NbS, VN, TiN, Ni2N, CrN, ZrN, NbN, TiC, Ti2C, B4C, Ni-basierten MOFs, Ce-basierten MOFs, Polypyrrol/Graphen, Vanadiumnitrid/Graphen, MgB2, TiCl2, Phosphoren, C3B, Li4Ti5O12 und Kombinationen davon.
  5. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 1, wobei das negative elektroaktive Material Lithiummetall umfasst.
  6. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 1, wobei das positive kondensatoraktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anderen porösen Kohlenstoffmaterialien, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon, und wobei das negative kondensatoraktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, lithiierter Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  7. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 1, wobei jede Zelle die erste Elektrode und die zweite Elektrode umfasst, und wobei jede Zelle ferner mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht mit einer Dicke größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 100 µm umfasst.
  8. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der ersten Elektrode und dem Separator angeordnet ist, wobei die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht ein positives kondensatoraktives Material umfasst, wobei das positive kondensatoraktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Aktivkohle, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, anderen porösen Kohlenstoffmaterialien, leitfähigen Polymeren und Kombinationen davon.
  9. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet ist, wobei die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht ein negatives kondensatoraktives Material umfasst, wobei das negative kondensatoraktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: lithiierter Aktivkohle, lithiierter Weichkohle, lithiierter Hartkohle, lithiierten Metalloxiden, lithiierten Metallsulfiden und Kombinationen davon.
  10. Kondensatorunterstützte Lithium-Schwefel-Batterie nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine kondensatorbasierte Zwischenschicht eine erste kondensatorbasierte Schicht und eine zweite kondensatorbasierte Schicht umfasst, wobei die erste kondensatorbasierte Schicht zwischen der ersten Elektrode und dem Separator und die zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht zwischen der zweiten Elektrode und dem Separator angeordnet ist, und wobei die erste kondensatorbasierte Schicht eine positive kondensatorbasierte Schicht ist und die zweite kondensatorbasierte Zwischenschicht eine negative kondensatorbasierte Schicht ist.
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