DE102021126562B4

DE102021126562B4 - Batteriezelle und Elektrode für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021126562B4
Application number: DE102021126562.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Börger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-13
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2041-10-14
Also published as: DE102021126562A1

Abstract

Batteriezelle (1), zumindest umfassend eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (3) sowie einen Separator (4), wobei eine der Elektroden (2, 3) zumindest im entladenden Zustand der Batteriezelle (1) zumindest Lithiumfluor, also LiF, umfasst, und einen Pluspol der Batteriezelle (1) ausbildet. Weiter wird auch eine Elektrode für eine solche Batteriezelle angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Festkörper-Batteriezelle, sowie eine Elektrode dafür. Der Begriff Festkörper-Batteriezelle wird im Folgenden auch durch den Begriff Batteriezelle umfasst.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen zusammengesetzt, wobei jede Batteriezelle einen Stapel von Anoden-, Kathoden- und Separator-Blättern aufweist. Zumindest ein Teil der Anoden- und Kathodenblätter sind als Stromableiter ausgeführt, zur Ableitung des von der Zelle bereitgestellten Stroms hin zu einem außerhalb der Zelle angeordneten Verbraucher. Es sind Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Festkörper-Batterie) bekannt.
Die vorliegend beschriebene Batteriezelle ist insbesondere eine Festkörper-Batteriezelle (ass-Batteriezelle; ass: all-solid-state), die also ausschließlich feste Komponenten umfasst (semisolide, also halbfeste Elektrolyte eingeschlossen, z. B. Polymere), also auch einen festen bzw. amorphen, glasartigen, gelartigen oder polymeren Elektrolyten und damit gerade keinen flüssigen Elektrolyten aufweist. Diese festen bzw. gelartigen Elektrolyten werden als ionenleitende Separatoren zwischen den Elektroden angeordnet. Diese Separatoren bestehen regelmäßig aus keramischen Werkstoffen oder aus Polymer, Glas- bzw. Hybridmaterialien.
Eine Festkörper-Batteriezelle umfasst insbesondere ein gasdicht ausgeführtes Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien bzw. - lagen, auch als Elektroden bezeichnet. Das Gehäuse kann als formfestes Gehäuse (prismatische oder Rundzelle) oder zumindest teilweise aus einem elastisch verformbaren Folienmaterial (Pouchzelle) ausgeführt sein. Auch eine Kombination beider Gehäusearten ist möglich.
Bei der Herstellung einer Elektrode einer Festkörper-Batteriezelle wird ein sogenanntes Trägermaterial, insbesondere ein bandförmiges Trägermaterial, z. B. eine Trägerfolie, einseitig oder beidseitig zumindest teilweise mit einem Aktivmaterial beschichtet. Die an der Elektrode ausgebildeten Stromableiter (Ableiterfähnchen) werden insbesondere durch unbeschichtete Bereiche des Trägermaterials gebildet. Das Trägermaterial umfasst z. B. Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis, die Energiedichte von Batteriezellen zu erhöhen, so dass z. B. größere Reichweiten von Kraftfahrzeugen mit möglichst kleinvolumigen und/oder leichten Batteriezellen erreicht werden können.
Bisher sind dabei Lithium-Ionen-Batterien bzw. Lithium-Luft-Batterien und andere bekannt.
Aus der DE 10 2015 102 090 A1 sind eine Elektrolytlösung und Lithium-basierte Batterien bekannt. Die Elektrolytlösung umfasst unter anderem Fluorethylencarbonat (FEC).
Aus der DE 10 2018 201 215 A1 sind eine nichtwässrige Elektrolytlösung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sekundärbatterie bekannt. Die Elektrolytlösung enthält ein fluoriertes Lösungsmittel.
Aus der EP 1 119 062 A2 ist eine Chrom-Fluor-Lithium-Festkörper-Batteriezelle bekannt. Die positive Elektrode umfasst Aluminium als Trägermaterial und darauf angeordnet eine Mischung aus Lithiummanganoxid, Chrom und Fluor als Aktivmaterial. Beim Entladen der positiven Elektrode lagern sich die Lithium-Ionen an dem Lithiummanganoxid an.
Die US 2016/0049655 A1 offenbart ein Batteriesystem.
Die US 2020/0373580 A1 ist auf eine Zusammensetzung einer Elektrode für eine Batterie gerichtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die eine besonders hohe Energiedichte aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode sowie einen Separator, wobei eine der Elektroden zumindest im entladenen Zustand der Batteriezelle zumindest Lithiumfluorid, also LiF, umfasst, und einen (elektrischen) Pluspol der Batteriezelle ausbildet. Insbesondere sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch den Separator voneinander getrennt angeordnet.
Insbesondere wandern Lithium-Ionen zum Laden und Entladen der Batteriezelle zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode hin und her. Der Ladungstransport zwischen den Elektroden erfolgt also insbesondere über Lithium-Ionen und Elektronen. Insbesondere können auch die Fluorid-Ionen wandern, so dass der Ladungstransport ggf. sogar weiter beschleunigt werden kann.
Insbesondere umfasst der volumetrische Teil dieser Elektrode, der zum Speichern von Lithiumionen durch Verbinden mit Fluor vorgesehen ist, zumindest 50 Gew.-% LiF, insbesondere zumindest im entladenen Zustand.
Es wird also eine Lithium-Fluor-Batteriezelle vorgeschlagen, die insbesondere auf der folgenden Reaktion beruht: 2 Li + F₂ →2 LiF
Von allen Elementreaktionen ist diese die mit Abstand energiereichste und daher auch diejenige mit der besten gravimetrischen Energiedichte. Die praktische Nutzung wird bisher insbesondere durch folgende Faktoren erschwert:

• das Fehlen eines geeigneten Separators bzw. lonenleiters sowie
• das Fehlen eines geeigneten Vorratsmedium für elementares (gasförmiges) Fluor.

Insbesondere wird dafür vorgeschlagen, das Lithiumfluorid mit z. B. zumindest Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Zinkfluorid oder Aluminiumfluorid zu dotieren, so dass ein geeigneter lonenleiter realisiert ist. Die Mg²⁺-Ionen (bzw. entsprechenden anderen Kationen) induzieren dabei Leerstellen in dem Lithiumfluorid, die eine ionische Leitfähigkeit für die Lithiumionen erzeugen. Das kann insbesondere dadurch noch weiter verbessert werden, indem auch Anionen-seitig Modifikationen durchgeführt sind, wodurch auch das Fluoridion eine gewisse Leitfähigkeit erhält. Neben O^2- ist hier insbesondere an komplexe Anionen wie XeF₈ ^2- o.ä. zu denken.
Das elementare Fluor kann insbesondere folgendermaßen ausgeführt werden:

• über Polyfluoride wie RbF₃ bzw. RbF₅; siehe auch Chinese Physics B, Vol. 30, 2021, No. 6, Artikelnummer: 066102 (S. 1-5) von Ziyue Lin, Hongyu Yu, Hao Song, Zihan Zhang, Tianxiao Liang, Mingyang Du and Defang Duan: „Novel rubidium polyfluorides with F₃ ^-, F₄ ^-, and F₅ ^- species"; und/ oder
• über perfluorierte organische Verbindungen, wie z. B. Teflon (-[CF₂]-), Perfluoraryl (- [C₆F₆]-), die Speicherfähigkeit für Gase besitzen (am besten nachgewiesen für O₂, was für Tauchzwecke, also Unterwasser, eingesetzt wird, aber auch gültig für F₂); und/ oder
• über Metallschäume aus geeigneten Legierungen, z. B. Kupfer und/ oder Nickel.

Insbesondere können z. B. für die Ableiter der Elektroden der vorgeschlagenen Batteriezelle Kupfer-Nickel-Legierungen eingesetzt werden, in denen auch elementares Fluor ohne Auftreten von Korrosion transportiert werden kann.
Insbesondere ist der Pluspol der Batteriezelle so ausgeführt, dass beim Entladen der Batteriezelle am Pluspol Fluor zu LiF reagiert und diese Reaktion für mindestens 50 %, insbesondere mindestens 75 %, der hin zu dieser Elektrode der Batteriezelle hin gewanderten Lithiumionen vorliegt.
Insbesondere umfasst die Batteriezelle Magnesiumfluorid-dotiertes (oder mit Calciumfluorid, Zinkfluorid oder Aluminiumfluorid dotiertes) Lithiumfluorid als den Separator bzw. den lonenleiter. Die den Pluspol der Batteriezelle bildende Elektrode weist also insbesondere Magnesiumfluorid-dotiertes (oder Calciumfluorid-, Zinkfluorid- oder Aluminiumfluorid- dotiertes) Lithiumfluorid auf.
Insbesondere weist die den Pluspol ausbildende Elektrode zumindest ein Polyfluorid oder eine perfluorierte organische Verbindung oder einen Metallschaum als Speichermedium für molekulares Fluor, also F₂, auf.
Insbesondere umfasst das Polyfluorid zumindest RbF₃ oder RbF₅.
Insbesondere umfasst die perfluorierte organische Verbindung zumindest Teflon (-[CF₂]-) oder Perfluoraryl (-[C₆F₆]-).
Insbesondere ist der Metallschaum zumindest aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Nickel oder einer Nickellegierung gebildet.
Insbesondere ist die Batteriezelle eine Festkörperbatteriezelle und weist einen festen oder gelförmigen Elektrolyten auf. Insbesondere wird Magnesiumfluorid-dotiertes (oder mit Calciumfluorid, Zinkfluorid oder Aluminiumfluorid dotiertes) Lithiumfluorid als Elektrolyt eingesetzt. Insbesondere kann das Fluor nicht aus der Elektrode entweichen, sondern ist durch das Speichermedium gebunden.
Insbesondere bildet die Andere der Elektroden der Batteriezelle einen Negativpol der Batteriezelle aus und umfasst Graphit. Das Graphit dient insbesondere in bekannter Weise der Interkalation von Lithium-Ionen.
Insbesondere ist zwischen den einander kontaktierenden Elektroden eine Sperrschicht angeordnet (analog zur SEI bei einer Lithium-Ionen-Batterie). Die Bildung dieser Sperrschicht kann insbesondere durch Strukturbildner unterstützt werden. Als Strukturbildner könnte insbesondere eine Oberflächenschicht umfassend Graphitfluorid dienen. Die Oberflächenschicht ist insbesondere auf einer der Elektroden und damit zwischen zwei nebeneinander liegenden Elektroden angeordnet.
Insbesondere umfasst die Batteriezelle zusätzlich ein Gehäuse und darin angeordnet einen Stapel von Elektroden, wobei der Stapel zumindest die beschriebene erste Elektrode und die zweite Elektrode aufweist.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.
Die einzelnen Lagen der Mehrzahl von Elektroden sind aufeinander angeordnet und bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektroden sind insbesondere jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Anoden und Kathoden sind wechselweise angeordnet und jeweils über ein Separatormaterial bzw. einen lonenleiter getrennt voneinander angeordnet.
Es wird weiter eine Elektrode für die beschriebene Batteriezelle vorgeschlagen. Die Elektrode umfasst insbesondere zumindest Lithiumfluorid (als Aktivmaterial, also zur Abgabe von Lithium-Ionen) sowie ein Polyfluorid oder eine perfluorierte organische Verbindung oder einen Metallschaum als Speichermedium für molekulares Fluor, also F₂.
Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie mit mindestens einer der beschriebenen Batteriezellen, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.
Die Ausführungen zu der Batteriezelle sind insbesondere auf die Elektrode und das Kraftfahrzeug übertragbar und umgekehrt.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. 1 zeigt eine Batteriezelle in einer Seitenansicht.
Die 1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer Seitenansicht. Die Batteriezelle 1 umfasst ein Gehäuse 5 und darin angeordnet eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3, die aufeinandergestapelt angeordnet und durch ein Separatormaterial 4 voneinander getrennt sind. Eine der Elektroden 2, 3 umfasst zumindest im entladenden Zustand der Batteriezelle zumindest Lithiumfluor bzw. Lithiumfluorid, also LiF, und bildet einen Pluspol der Batteriezelle aus. Der Ladungstransport zwischen den Elektroden 2, 3 erfolgt also über Lithiumionen und Elektronen. Ein Ableiter 6 erstreckt sich zur elektrischen Kontaktierung ausgehend von jeder Elektrode 2, 3 über das Gehäuse 5 nach außen.
Bezugszeichenliste

1: (Festkörper-)Batteriezelle
2: erste Elektrode
3: zweite Elektrode
4: Separator
5: Gehäuse
6: Ableiter

Claims

Batteriezelle (1), zumindest umfassend eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (3) sowie einen Separator (4), wobei eine der Elektroden (2, 3) zumindest im entladenden Zustand der Batteriezelle (1) zumindest Lithiumfluorid umfasst, und einen Pluspol der Batteriezelle (1) ausbildet; wobei zumindest • die Batteriezelle (1) mit Lithiumfluorid-dotiertes Magnesiumfluorid als den Separator (4) umfasst; oder • die den Pluspol ausbildende Elektrode (2, 3) zumindest ein Polyfluorid oder eine perfluorierte organische Verbindung als Speichermedium für molekulares Fluor, also F₂, aufweist; wobei das Polyfluorid zumindest RbF₃ oder RbF₅ umfasst.
Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 1, wobei der Pluspol so ausgeführt ist, dass beim Entladen der Batteriezelle (1) am Pluspol Fluor mit Lithium zu LiF reagiert und diese Reaktion für zumindest 50 % der Lithium-Ionen vorliegt.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die den Pluspol ausbildende Elektrode (2, 3) zumindest einen Metallschaum als Speichermedium für molekulares Fluor, also F₂, aufweist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die perfluorierte organische Verbindung zumindest Teflon oder Perfluoraryl umfasst.
Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 3, wobei der Metallschaum zumindest aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Nickel oder einer Nickellegierung gebildet ist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Batteriezelle (1) eine Festkörperbatteriezelle ist und einen festen oder gelförmigen Elektrolyten aufweist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die andere der Elektroden (2, 3) einen Negativpol der Batteriezelle (1) ausbildet und Graphit umfasst.
Elektrode (2, 3) für eine Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, zumindest umfassend Lithiumfluorid sowie ein Polyfluorid oder eine perfluorierte organische Verbindung als Speichermedium für molekulares Fluor, also F₂; wobei das Polyfluorid zumindest RbF₃ oder RbF₅ umfasst.