DE102021114600A1

DE102021114600A1 - Elastische bindepolymere für elektrochemische zellen

Info

Publication number: DE102021114600A1
Application number: DE102021114600.3A
Authority: DE
Inventors: Yong Lu; Zhe Li; Meiyuan Wu; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-06-09
Also published as: CN114597485A; US20220181629A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle mit einem elastischen Bindepolymer, das die Langzeitleistung der elektrochemischen Zelle verbessert, insbesondere wenn die elektrochemische Zelle ein elektroaktives Material enthält, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt (wie z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialien). Die elektrochemische Zelle kann das elastische Bindepolymer als ein Elektrodenadditiv und/oder eine Überzugsschicht, die angrenzend an eine freiliegende Oberfläche einer Elektrode angeordnet ist, die ein elektroaktives Material enthält, das eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt, und/oder eine Gelschicht, die angrenzend an eine Elektrode angeordnet ist, die ein elektroaktives Material enthält, das eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt, enthalten. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Alginate oder Alginat-Derivate und mindestens einen Vernetzer 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“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Herkömmliche wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Solche Lithiumionen-Batterien können bei Bedarf eine zugehörige Lastvorrichtung reversibel mit Strom versorgen. Genauer gesagt kann eine Lastvorrichtung von der Lithiumionen-Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode effektiv erschöpft ist. Die Batterie kann dann wieder aufgeladen werden, indem ein geeigneter elektrischer Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden durchgeleitet wird.
Während der Entladung kann die negative Elektrode eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Lithiumionen können von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode wandern, z.B. durch die ionisch leitende Elektrolytlösung, die in den Poren eines dazwischen befindlichen porösen Separators enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen werden. Die Batterie kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umgekehrt werden.
Es können viele verschiedene Materialien verwendet werden, um Komponenten für eine Lithiumionen-Batterie herzustellen. Materialien für positive Elektroden für Lithium-Batterien umfassen z.B. typischerweise ein elektroaktives Material, in das Lithiumionen eingelagert werden kann, wie Lithium-Übergangsmetalloxide oder Mischoxide, z.B. u.a. LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn_1,5Ni_0,5O₄, LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0 < x < 1, y < 1, und M AI, Mn oder ähnliches sein kann), oder eine oder mehrere Phosphatverbindungen, zum Beispiel u.a. Lithium-Eisenphosphat oder gemischtes Lithium-Mangan-Eisenphosphat. Die negative Elektrode enthält typischerweise ein Lithium-Einlagematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer Anode sind z.B. Graphit und andere Formen von Kohlenstoff, Silicium und Siliciumoxid, Zinn und Zinnlegierungen.
Bestimmte Anodenmaterialien haben besondere Vorteile. Während Graphit mit einer theoretischen spezifischen Kapazität von 372 mAh·g^-1 in Lithiumionen-Batterien am weitesten verbreitet ist, sind Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität, zum Beispiel mit hohen spezifischen Kapazitäten im Bereich von etwa 900 mAh·g^-1 bis etwa 4.200 mAh·g^-1, von wachsendem Interesse. Zum Beispiel hat Silicium die höchste bekannte theoretische Kapazität für Lithium (z.B. etwa 4.200 mAh·g^-1), was es zu einem attraktiven Material für wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien macht. Anoden, die Silicium enthalten, können jedoch Nachteile aufweisen. Zum Beispiel übermäßige volumetrische Ausdehnung und Kontraktion (z.B. ca. 400 % für Silicium im Vergleich zu ca. 60 % für Graphit) während aufeinanderfolgender Lade- und Entladezyklen. Solche Volumenänderungen können zu Ermüdungsrissen und Dekrepitation bzw. Inbrandsetzung des elektroaktiven Materials sowie zur Pulverisierung von Materialteilchen führen, was wiederum einen Verlust des elektrischen Kontakts zwischen dem siliciumhaltigen elektroaktiven Material und dem Rest der Batteriezelle zur Folge haben kann, was zu einer schlechten Kapazitätserhaltung und einem vorzeitigen Ausfall der Zelle führt. Dies gilt insbesondere bei Elektroden-Ladeniveaus, die für den Einsatz von siliciumhaltigen Elektroden in Lithiumionen-Batterien mit hoher Energie, wie sie z.B. in Transportanwendungen eingesetzt werden, erforderlich sind.
Dementsprechend wäre es wünschenswert, Hochleistungselektrodenmaterialien, insbesondere mit Silicium und anderen elektroaktiven Materialien, die während des Lithiumionen-Zyklus signifikante volumetrische Änderungen erfahren, und Verfahren zur Herstellung solcher Hochleistungselektrodenmaterialien für die Verwendung in Lithiumionen-Batterien mit hoher Energie und hoher Leistung, die diese volumetrischen Änderungen überwinden und/oder ausgleichen, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, zu entwickeln.
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 elektrochemische Zelle mit einem elastischen Bindepolymer, das die Langzeitleistung der elektrochemischen Zelle verbessert, insbesondere wenn die elektrochemische Zelle ein elektroaktives Material enthält, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt (wie z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialien). Die elektrochemische Zelle kann das elastische Bindepolymer als Elektrodenadditiv und/oder eine Überzugsschicht, die angrenzend an eine freiliegende Oberfläche einer Elektrode angeordnet ist, die ein elektroaktives Material enthält, das eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt, und/oder eine Gelschicht, die angrenzend an eine Elektrode angeordnet ist, die ein elektroaktives Material enthält, das eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt, enthalten.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine Elektrode und eine elastische Zwischenschicht enthalten, die angrenzend an eine freiliegende Oberfläche der Elektrode angeordnet ist. Die Elektrode kann ein elektroaktives Material enthalten, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Expansion und Kontraktion erfährt. Die elastische Zwischenschicht kann ein elastisches Bindepolymer enthalten. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer enthalten.
In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Alginate enthalten (a) ein Alginatsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und Kombinationen davon; (b) ein gepfropftes Alginat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Polyacrylamid-G-Alginat, Polyacrylat-G-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-G-Alginat, Dodecylamid-G-Alginat und Kombinationen davon; (c) ein Alginat-Derivat, das ein Alginat-Grundgerüst enthält, das mindestens einer der folgenden Reaktionen unterzogen wurde: Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, und Amidierung von Carboxylgruppen; und (d) eine beliebige Kombination davon.
In einem Aspekt umfasst jeder Vernetzer ein mehrwertiges Kation und ein Anion. Das mehrwertige Kationen kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und Kombinationen davon. Das Anion kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃- und Kombinationen davon.
In einem Aspekt enthält das elastische Bindepolymer mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
In einem Aspekt kann die Elektrode außerdem mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elastischen Bindepolymers enthalten.
In einem Aspekt kann die elastische Zwischenschicht eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm haben. Die Elektrode kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm haben.
In einem Aspekt kann die elastische Zwischenschicht eine Gelschicht mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 10 µm sein.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material sein.
In einem Aspekt kann die freiliegende Oberfläche eine erste freiliegende Oberfläche sein, und die elektrochemische Zelle kann außerdem einen Stromkollektor enthalten, der neben einer zweiten freiliegenden Oberfläche der Elektrode angeordnet ist. Die zweite freiliegende Oberfläche kann im Wesentlichen parallel zur ersten freiliegenden Oberfläche sein.
In verschiedenen anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine weitere beispielhafte elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine Elektrode enthalten, die ein elektroaktives Material, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt, und ein elastisches Bindepolymer enthält. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer enthalten.
In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Alginate enthalten (a) ein Alginatsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und Kombinationen davon; (b) ein gepfropftes Alginat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Polyacrylamid-G-Alginat, Polyacrylat-G-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-G-Alginat, Dodecylamid-G-Alginat und Kombinationen davon: (c) ein Alginat-Derivat, umfassend ein Alginat-Grundgerüst, das mindestens einer der folgenden Reaktionen unterzogen wurde: Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, und Amidierung von Carboxylgruppen; oder (d) eine beliebige Kombination davon.
In einem Aspekt umfasst jeder Vernetzer ein mehrwertiges Kation und ein Anion. Das mehrwertige Kation kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und Kombinationen davon. Das Anion kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann das elastische Bindepolymer mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers enthalten.
In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem eine elastische Zwischenschicht enthalten, die angrenzend an eine freiliegende Oberfläche der Elektrode angeordnet ist. Die elastische Zwischenschicht kann eine Gelschicht sein, die das elastische Bindepolymer enthält.
In einem Aspekt kann die elastische Zwischenschicht eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm haben. Die Elektrode kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm haben.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine weitere beispielhafte elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine negative Elektrode, einen Stromkollektor, der benachbart zu einer ersten freiliegenden Oberfläche der negativen Elektrode angeordnet ist, und eine elastische Zwischenschicht, die benachbart zu einer zweiten freiliegenden Oberfläche der negativen Elektrode angeordnet ist, umfassen. Die zweite freiliegende Oberfläche der negativen Elektrode kann im Wesentlichen parallel zu der ersten freiliegenden Oberfläche der negativen Elektrode sein. Die negative Elektrode kann ein negatives siliciumhaltiges elektroaktives Material enthalten. Die negative Elektrode kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm haben. Die elastische Zwischenschicht kann eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm haben. Die elastische Zwischenschicht kann eine Gelschicht sein, die ein elastisches Bindepolymer enthält. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer enthalten.
In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Alginate enthalten (a) ein Alginatsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und Kombinationen davon; (b) ein gepfropftes Alginat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Polyacrylamid-G-Alginat, Polyacrylat-G-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-G-Alginat, Dodecylamid-G-Alginat und Kombinationen davon; (c) ein Alginat-Derivat, umfassend ein Alginat-Grundgerüst, das mindestens einer der folgenden Reaktionen unterzogen wurde: Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, und Amidierung von Carboxylgruppen; oder (d) eine beliebige Kombination davon.
In einem Aspekt umfasst jeder Vernetzer ein mehrwertiges Kation und ein Anion. Das mehrwertige Kationen kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und Kombinationen davon. Das Anion kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und Kombinationen davon.
In einem Aspekt kann das elastische Bindepolymer mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers enthalten.
In einem Aspekt kann die negative Elektrode ferner mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elastischen Bindepolymers enthalten.
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 solten den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer elastischen Zwischenschicht gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer negativen Elektrode, die ein elastisches Bindepolymer gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält; und
3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle mit einer negativen Elektrode, die sowohl ein elastisches Bindepolymer als auch eine elastische Zwischenschicht gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält.

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 Offenbarung bezieht sich auf eine elektrochemische Zelle mit einem elastischen Bindepolymer, das die Langzeitleistung der elektrochemischen Zelle verbessert, insbesondere wenn die elektrochemische Zelle ein elektroaktives Material enthält, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Ausdehnung und Kontraktion erfährt (wie z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialien). Die elektrochemische Zelle kann das elastische Bindepolymer als Elektrodenadditiv und/oder eine elastische Grenzflächenbeschichtung oder -schicht enthalten, die auf einer freiliegenden Oberfläche einer Elektrode angeordnet ist. Mit „elastisch“ ist gemeint, dass das Elektrodenadditiv und/oder die Grenzflächenbeschichtung oder -schicht die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion der elektroaktiven Materialien (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialien) in der Elektrode (z.B. negative Elektrode) während langfristiger Zyklen (z.B. mehr als 200 Lithiierungs-Delithiierungs-Zyklen) der elektrochemischen Zelle ohne Beschädigung, Bruch und erheblichen Verbrauch des Elektrolyten bewältigen kann.
Eine typische Lithiumionen-Batterie (z.B. eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt) umfasst eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode oder Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Elektrode oder Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Lithiumionen-Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen (oder Natriumionen im Falle von Natriumionen-Batterien und dergleichen) geeignet und kann in flüssiger, Gel- oder fester Form vorliegen. Beispielhafte und schematische Darstellungen von elektrochemischen Zellen (auch als Batterien bezeichnet) sind in 1-3 dargestellt.
Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die aktuelle Technologie kann 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. Obwohl ferner die dargestellten Beispiele eine einzelne Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
Wie in 1 dargestellt, enthält die Batterie 20 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. Die Batterie 20 kann auch eine elastische Zwischenschicht 50 enthalten, die zwischen der negativen Elektrode 22 und dem Separator 26 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und der elastischen Zwischenschicht 50 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 durch einen Festkörperelektrolyten 30 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 der negativen Elektrode 22 positioniert sein, und ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden.
Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negative Elektrode 22 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle (z.B. Ladegerät) an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 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-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 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 30 z.B. ein ionischer Elektrolyt sein, der eine vergleichsweise hohe Viskosität aufweist. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In bestimmten Fällen kann der Elektrolyt 30 auch ein oder mehrere Additive enthalten, wie z.B. Vinylencarbonat (VC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC) und dergleichen. In der Lithiumionen-Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Lösungen mit Elektrolyt verwendet werden.
In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöste Lithiumsalze enthält. Die Lithiumsalze können ein oder mehrere Kationen gekoppelt mit einem oder mehreren Anionen enthalten. Die Kationen können ausgewählt sein aus Li⁺, Na⁺, K⁺, Al³⁺, Mg²⁺ und dergleichen. Die Anionen können ausgewählt sein aus PF^6-, BF^4-, TFSI^-, FSI^-, CF₃SO_3-, (C₂F₅S₂O₂)N^- und dergleichen. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat (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 (LiCF₃S₃), 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 (Arbonate), 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, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, 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) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem eine oder mehrere keramische Beschichtungsschichten und eine Beschichtung aus hitzebeständigem Material enthalten. Die keramische Beschichtungsschicht und/oder die Beschichtung aus hitzebeständigem Material kann auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das Material, das die keramische Schicht bildet, kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
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. 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. Der Separator 26 kann eine Dicke von größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Fällen optional größer oder gleich etwa 1 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm haben.
In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und der Elektrolyt 30 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 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten, wie LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅Cl, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Bei den Festkörperelektrolytteilchen kann es sich um nanometergroße Festkörperelektrolytteilchen auf Oxidbasis handeln. In noch anderen Variationen können der poröse Separator 26 und der Elektrolyt 30 in 1 durch einen Gelelektrolyten ersetzt werden.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann beispielsweise durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen (nicht dargestellt) gebildet sein, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu bilden. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. Die positive Elektrode 24 kann z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. Die positive Elektrode 24 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm haben.
Eine beispielhafte übliche Klasse von bekannten elektroaktiven Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn₂O₄, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (z.B. LiMn_1,5N_0,5O₄), ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1) (z.B. LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M AI, Mg, Ti oder dergleichen sein kann); oder ein Lithium-Eisenpolyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn_2-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,3) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li₂FePO₄F).
In bestimmten anderen Aspekten kann die positive Elektrode 24 enthalten ein oder mehrere Hochspannungsoxide (wie z.B. LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiFePO₄), ein oder mehrere Steinsalz-Schichtoxide (z.B. LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xCO_yAl_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 2 ist und wobei M sich auf Metallelemente, ausgewählt aus Mn, Ni und dergleichen, bezieht), ein oder mehrere Polyanionen (wie z.B. LiV₂(PO₄)₃) und andere ähnliche Lithium-Übergangsmetalloxide. Das positive elektroaktive Material kann auch oberflächenbeschichtet und/oder dotiert sein. Das positive elektroaktive Material kann zum Beispiel LiNbO₃-beschichtetes LiNi_0,5Mn_1,5O₄ enthalten.
In jedem Fall können die positiven elektroaktiven Materialien 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), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. 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 Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DEN-KA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen, Graphenoxid und ähnliches enthalten. 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 die positive Elektrode 24 enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-%, des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. In bestimmten Fällen kann die positive Elektrode 24 außerdem mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% an Festkörperelektrolytteilchen enthalten.
Die negative Elektrode 22 enthält ein Lithium-Wirtsmaterial, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 ein Lithium-Wirtsmaterial enthalten (z.B. negatives elektroaktives Material), das als negativer Anschluss der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. Die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm haben.
Die negative Elektrode 22 kann ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall.
In bestimmten Variationen ist die negative Elektrode 22 ein Film oder eine Schicht, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet ist. Zur Bildung der negativen Elektrode 22 können auch andere 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, SiO_x (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Si/C, SiO_x/C (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen) und/oder Metalloxide (wie Fe₃O₄). In bestimmten alternativen Ausführungsformen werden Lithium-Titan-Anodenmaterialien in Betracht gezogen, wie z.B. Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO). So können negative elektroaktive Materialien für die negative Elektrode 22 ausgewählt werden aus Lithium, Graphit, hartem Kohlenstoff, weichem Kohlenstoff, Silicium, siliciumhaltigen Legierungen, zinnhaltigen Legierungen, Metalloxiden und dergleichen.
In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material in der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das negative elektroaktive Material in der negative 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), 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 (wie KET-CHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen, Graphenoxid und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 enthalten mehr als oder gleich etwa 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 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitender Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. In bestimmten Fällen kann die negative Elektrode 22 außerdem mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% an Festkörperelektrolytteilchen enthalten.
In verschiedenen Aspekten kann eine elastische Zwischenschicht 50 an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, die elastische Zwischenschicht 50 an oder in der Nähe einer Oberfläche der negativen Elektrode 22 angeordnet sein, die dem Stromkollektor 32 der negativen Elektrode gegenüberliegt. Die elastische Zwischenschicht 50 kann zwischen der negativen Elektrode 22 und dem Separator 26 (oder Festkörperelektrolyt) angeordnet sein. Die elastische Zwischenschicht 50 kann eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 20 µm.
Die elastische Eigenschaft der Zwischenschicht 50 sowie die verbesserte mechanische Festigkeit oder Zugfestigkeit, wie sie beispielsweise durch Vernetzungsstrukturen bereitgestellt wird, die aus der Fülle von Hydroxyl- und Carboxylgruppen von kostengünstigen Alginaten und Derivaten resultieren, kann einen Schutz gegen unerwünschte Materialpulverisierung und Degradation bieten, die während der volumetrischen Ausdehnung auftreten können und wie sie sich ergeben können, wenn die negative Elektrode 22 Silicium und/oder andere elektroaktive Materialien enthält, die während des Lithiumionen-Zyklusbetriebs erhebliche volumetrische Änderungen erfahren, wie oben beschrieben. Mit „elastisch“ ist gemeint, dass die Zwischenschicht 50 die volumetrische Ausdehnung und Kontraktion der elektroaktiven Materialien (z.B. siliciumhaltige elektroaktive Materialien) in der negativen Elektrode 22 während langfristigen Zyklusbetriebs (z.B. mehr als 200 Lithiierungs-Delithiierungs-Zyklen) der elektrochemischen Zelle 20 ohne Beschädigung, Bruch und erheblichen Verbrauch des Elektrolyten aufnehmen bzw. bewältigen kann.
Die elastische Zwischenschicht 50 kann eine Gelschicht mit einer lonenleitfähigkeit größer als 10^-4 mS/cm und in bestimmten Aspekten optional größer als 10^-3 mS/cm sein. Die elastische Zwischenschicht 50 enthält ein elastisches Bindepolymer. Das elastische Bindepolymer kann durch Vernetzung eines oder mehrerer Alginate oder Derivate hergestellt werden. Das elastische Bindepolymer kann z.B. ein oder mehrere Polymere und mindestens einen Vernetzer umfassen. Genauer gesagt umfasst das elastische Bindepolymer ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer. Das elastische Bindepolymer kann flüssigen Elektrolyten immobilisieren, um die Gelschicht zu bilden. Zum Beispiel kann die Gelschicht, wie unten näher erläutert, durch Aufbringen (z.B. Vorbeschichten) eines elastischen Zwischenschichtvorläufers, der das elastische Bindepolymer enthält, auf eine Oberfläche der negativen Elektrode 22 und/oder durch Einbringen einer freistehenden Polymerzwischenschicht, die das elastische Bindepolymer enthält, in den Zellenstapel 20 gebildet werden. In jedem Fall immobilisiert das elastische Bindepolymer den flüssigen Elektrolyten (in situ) nach einem Elektrolytfüllprozess, um die ionisch leitfähige elastische Zwischenschicht 50 zu bilden. Der flüssige Elektrolyt kann z.B. durch funktionelle Gruppen, wie Carboxyl- und Hydroxylgruppen, des elastischen Bindepolymers immobilisiert werden.
Das eine oder die mehreren Alginate können enthalten ein Alginatsalz (wie z.B. Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und dergleichen), ein gepfropftes Alginat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie Polyacrylamid-g-Alginat, Natriumpolyacrylat-g-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-g-Alginat, Dodecylamid-g-Alginat und dergleichen), und/oder ein Alginat-Derivat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie z.B. Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, Amidierung von Carboxylgruppen an einem Alginat-Grundgerüst). Jeder Vernetzer kann ein mehrwertiges Kation und ein Anion enthalten. Das mehrwertige Kation kann ausgewählt werden aus Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und dergleichen. Das Anion kann Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und dergleichen umfassen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Bildung von elastischen Zwischenschichten zur Verfügung, wie die in 1 dargestellte elastische Zwischenschicht 50. In einem Aspekt wird zum Beispiel ein Verfahren bereitgestellt, das die Herstellung einer Vorläuferlösung für eine elastische Zwischenschicht und das Aufbringen oder Vorbeschichten der Lösung auf eine freiliegende Oberfläche einer negativen Elektrode mit anschließendem Trocknungsprozess umfasst. Die Vorläuferlösung für die elastische Zwischenschicht kann ein elastisches Bindepolymer in Lösung dispergieren. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Polymere und mindestens einen Vernetzer enthalten. Genauer gesagt umfasst das elastische Bindepolymer ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer. Das elastische Bindepolymer kann enthalten mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate; und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
Das elastische Bindepolymer kann in einer wässrigen Lösung, wie z.B. Wasser, dispergiert sein. Die Vorläuferlösung für die elastische Zwischenschicht kann weniger als oder gleich etwa 3 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des elastischen Bindepolymers enthalten. Wenn die Zwischenschicht-Vorläuferlösung eine Menge des elastischen Bindepolymers enthält, die größer als etwa 3 Gew.-% ist, kann die Viskosität der elastischen Zwischenschicht-Vorläuferlösung zu groß sein, um die negative Elektrode ausreichend zu beschichten. Beim Einbringen des flüssigen Elektrolyten in die die beschichtete Anode enthaltende Zelle wird das elastische Bindepolymer den flüssigen Elektrolyten immobilisieren (in situ), so dass eine elastische Zwischenschicht entsteht. Der flüssige Elektrolyt kann z.B. durch funktionelle Gruppen, wie Carboxyl- und Hydroxylgruppen, des elastischen Bindepolymers immobilisiert werden.
In anderen Aspekten wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Herstellung einer Vorläuferlösung für eine elastische Zwischenschicht und das Auftragen oder Vorbeschichten der Lösung auf eine freiliegende Oberfläche eines Substrats (wie z.B. Glas, PET und dergleichen) umfasst. Nach dem Trocknen der Vorläuferlösung für die elastische Zwischenschicht kann eine freistehende Polymer-Zwischenschicht erhalten werden. Die freistehende Polymer-Zwischenschicht kann eine poröse Membran sein, die eine Porosität von mehr als 0 Vol.-% bis weniger als oder gleich oder gleich etwa 70 Vol.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als etwa 10 Vol.-% bis weniger als oder gleich oder gleich etwa 30 Vol.-%, aufweist.
Die Vorläuferlösung für die elastische Zwischenschicht kann ein elastisches Bindepolymer in Lösung dispergieren. Das elastische Bindepolymer kann ein oder mehrere Polymere und mindestens einen Vernetzer enthalten. Genauer gesagt umfasst das elastische Bindepolymer ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer. Das elastische Bindepolymer kann enthalten mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate; und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
Das elastische Bindepolymer kann in einer wässrigen Lösung, wie z.B. Wasser, dispergiert sein. Die Vorläuferlösung für die elastische Zwischenschicht kann weniger als oder gleich etwa 3 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 2 Gew.-% des elastischen Bindepolymers enthalten. Wenn die Zwischenschicht-Vorläuferlösung eine Menge des elastischen Bindepolymers enthält, die größer als etwa 3 Gew.-% ist, kann die Viskosität der elastischen Zwischenschicht-Vorläuferlösung zu groß sein, um die freistehende Polymer-Zwischenschicht ausreichend zu beschichten. Die vorbeschichtete, freistehende Polymer-Zwischenschicht kann in den Zellenstapel eingebaut werden, und bei Einführung des flüssigen Elektrolyten wird der Vorläufer für die elastische Zwischenschicht den flüssigen Elektrolyten immobilisieren (in situ), um eine elastische Zwischenschicht zu bilden. Der flüssige Elektrolyt kann z.B. durch funktionelle Gruppen, wie Carboxyl- und Hydroxylgruppen, des elastischen Bindepolymers immobilisiert werden.
Eine weitere beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 200 ist in 2 dargestellt. Ähnlich wie in 1 dargestellte Batterie 20 enthält die Batterie 200 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. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 226 einen Elektrolyten 230, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 222 und der positiven Elektrode 224 vorhanden sein kann. Ein Stromkollektor 232 für die negative Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 222 positioniert sein, und ein Stromkollektor 234 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 224 positioniert sein. Der Stromkollektor 232 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 234 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 240. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 240 und eine Lastvorrichtung 212 die negative Elektrode 222 (über den Stromkollektor 232 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 224 (über den Stromkollektor 234 der positiven Elektrode) verbinden.
Im Gegensatz zur Batterie 20 hat die in 2 dargestellte Batterie 200 jedoch keine ausgeprägte elastische Zwischenschicht. Stattdessen enthält im Fall der Batterie 200 die negative Elektrode 222 ein elastisches Additiv. Die negative Elektrode 222 kann enthalten 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.-%, eines negativen elektroaktiven Materials; und mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, des elastischen Additivs. Die elastische Eigenschaft der negativen Elektrode 222 kann einen Schutz gegen unerwünschte Materialpulverisierung und Degradation bieten, die während der volumetrischen Ausdehnung auftreten können, wie sie entstehen können, wenn die negative Elektrode 322 Silicium und/oder andere elektroaktive Materialien enthält, die während des Lithiumionen-Zyklusbetriebs erhebliche volumetrische Änderungen erfahren, wie oben beschrieben.
Das elastische Additiv kann ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer enthalten. Zum Beispiel kann das elastische Additiv enthalten mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate; und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
Das eine oder die mehreren Alginate können enthalten ein Alginatsalz (wie z.B. Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und dergleichen), ein gepfropftes Alginat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie Polyacrylamid-g-Alginat, Natriumpolyacrylat-g-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-g-Alginat, Dodecylamid-g-Alginat und dergleichen), und/oder ein Alginat-Derivat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie z.B. Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, Amidierung von Carboxylgruppen an einem Alginat-Grundgerüst). Jeder Vernetzer kann ein mehrwertiges Kation und ein Anion enthalten. Das mehrwertige Kation kann ausgewählt werden aus Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und dergleichen. Das Anion kann Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und dergleichen umfassen.
In bestimmten Aspekten kann die negative Elektrode 222, wie die in 1 dargestellte negative Elektrode 22, optional ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial enthalten. Die negative Elektrode 222, wie in 2 dargestellt, enthält jedoch eine Gesamtmenge an Bindemitteln, einschließlich des elastischen Bindepolymers und des mindestens einen polymeren Bindemittelmaterials (z.B. Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Poly(tetrafluorethylen) (PTFE)), von weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%.
Eine weitere beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 300 ist in 3 dargestellt. Ähnlich wie in 1 dargestellte Batterie 20 enthält die Batterie 300 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. Die Batterie 320 kann auch eine elastische Zwischenschicht 350 enthalten, die zwischen der negativen Elektrode 322 und dem Separator 326 angeordnet ist. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 326 einen Elektrolyten 330, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 322, der positiven Elektrode 324 und/oder der elastischen Zwischenschicht 350 vorhanden sein kann. Ein Stromkollektor 332 für die negative Elektrode kann an oder nahe der negativen Elektrode 322 positioniert sein, und ein Stromkollektor 334 für die positive Elektrode kann an oder nahe der positiven Elektrode 324 positioniert sein. Der Stromkollektor 332 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 334 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 340. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 340 und eine Lastvorrichtung 312 die negative Elektrode 322 (über den Stromkollektor 332 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 324 (über den Stromkollektor 334 der positiven Elektrode) verbinden.
Die elastische Zwischenschicht 350 kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 322 angeordnet sein. Zum Beispiel kann, wie dargestellt, die elastische Zwischenschicht 350 an oder in der Nähe einer Oberfläche der negativen Elektrode 322 angeordnet sein, die dem Stromkollektor 332 der negativen Elektrode gegenüberliegt. Die elastische Zwischenschicht 350 kann zwischen der negativen Elektrode 322 und dem Separator 326 (oder Festkörperelektrolyt) angeordnet sein. Die elastische Zwischenschicht 350 kann eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 20 µm.
Die elastische Zwischenschicht 350 kann eine Gelschicht sein, die ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer enthält. Zum Beispiel kann die elastische Zwischenschicht 350 mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate enthalten; und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
In bestimmten Variationen können das eine oder die mehreren Alginate enthalten ein Alginatsalz (wie z.B. Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und dergleichen), ein gepfropftes Alginat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie Polyacrylamid-g-Alginat, Natriumpolyacrylat-g-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-g-Alginat, Dodecylamid-g-Alginat und dergleichen), und/oder ein Alginat-Derivat, gekoppelt mit einem Lithium-, Natrium-, Kalium-Ammonium-Kation und dergleichen (wie z.B. Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, Amidierung von Carboxylgruppen an einem Alginat-Grundgerüst). Jeder Vernetzer kann ein mehrwertiges Kation und ein Anion enthalten. Das mehrwertige Kation kann ausgewählt werden aus Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und dergleichen. Das Anion kann Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und dergleichen umfassen.
Ähnlich wie bei der in 2 dargestellten Batterie 200 kann die in 3 dargestellte negative Elektrode 322 ein elastisches Additiv enthalten. Beispielsweise kann die negative Elektrode 322 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.-%, eines negativen elektroaktiven Materials enthalten; und mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, des elastischen Additivs.
Das elastische Additiv kann mindestens ein Polymer und mindestens einen Vernetzer enthalten. Zum Beispiel kann das elastische Additiv mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate enthalten; und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
Das eine oder die mehreren Alginate können enthalten ein Alginatsalz (wie z.B. Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und dergleichen), ein gepfropftes Alginat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie Polyacrylamid-g-Alginat, Natriumpolyacrylat-g-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-g-Alginat, Dodecylamid-g-Alginat und dergleichen), und/oder ein Alginat-Derivat, das mit einem Lithium-, Natrium-, Kaliumammoniumkation und dergleichen gekoppelt ist (wie z.B. Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, Amidierung von Carboxylgruppen an einem Alginat-Grundgerüst). Jeder Vernetzer kann ein mehrwertiges Kation und ein Anion enthalten. Das mehrwertige Kation kann ausgewählt werden aus Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und dergleichen. Das Anion kann Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und dergleichen umfassen.
In bestimmten Aspekten kann die negative Elektrode 322, wie die in 1 dargestellte negative Elektrode 22, optional ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial enthalten. Die negative Elektrode 322, wie in 3 dargestellt, enthält jedoch eine Gesamtmenge an Bindemitteln, einschließlich des elastischen Bindepolymers und des mindestens einen polymeren Bindemittelmaterials (z.B. Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Poly(tetrafluorethylen) (PTFE)), von weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, optional weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-%.
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

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, umfassend: eine Elektrode, die ein elektroaktives Material umfasst, das während des Zyklusbetriebs der elektrochemischen Zelle eine volumetrische Expansion und Kontraktion erfährt; und eine elastische Zwischenschicht, die angrenzend an eine freiliegende Oberfläche der Elektrode angeordnet ist, wobei die elastische Zwischenschicht ein elastisches Bindepolymer umfasst, wobei das elastische Bindepolymer ein oder mehrere Alginate und mindestens einen Vernetzer umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Alginate umfassen: (a) ein Alginatsalz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumalginat, Natriumalginat, Kaliumalginat, Ammoniumalginat und Kombinationen davon; (b) ein gepfropftes Alginat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Polyacrylamid-G-Alginat, Polyacrylat-G-Alginat, Polyvinylpyrrolidon-G-Alginat, Dodecylamid-G-Alginat und Kombinationen davon; (c) ein Alginat-Derivat, umfassend ein Alginat-Grundgerüst, das mindestens einer der folgenden Reaktionen unterzogen wurde: Oxidation, Reduktionsaminierung-Sulfatierung, Kopplung von Cyclodextrin von Hydroxylgruppen und Veresterung, Ugi-Reaktionen, und Amidierung von Carboxylgruppen; oder (d) eine beliebige Kombination davon.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jeder Vernetzer umfasst: ein mehrwertiges Kation, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ und Kombinationen davon, und ein Anion, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Cl^-, SO₄ ^2-, NO₃ ^- und Kombinationen davon.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das elastische Bindepolymer umfasst: mehr als oder gleich etwa 95 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,99 Gew.-% des einen oder der mehreren Alginate, und mehr als oder gleich etwa 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 5 Gew.-% des mindestens einen Vernetzers.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode ferner mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elastischen Bindepolymers umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die elastische Zwischenschicht eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 µm hat und die Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1000 µm hat.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die elastische Zwischenschicht eine Gelschicht mit einer Dicke von weniger als oder gleich etwa 10 µm ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das elektroaktive Material ein siliciumhaltiges elektroaktives Material ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die freiliegende Oberfläche eine erste freiliegende Oberfläche ist und die elektrochemische Zelle ferner einen Stromkollektor umfasst, der angrenzend an eine zweite freiliegende Oberfläche der Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite freiliegende Oberfläche im Wesentlichen parallel zu der ersten freiliegenden Oberfläche ist.