DE102022103144A1

DE102022103144A1 - Argyrodit enthaltende festkörperelektrolyte für festkörperakkumulatoren und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102022103144A1
Application number: DE102022103144.6A
Authority: DE
Inventors: Zhe Li; Yong Lu; Haijing Liu; Meiyuan Wu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-01-19
Also published as: CN115621537A; US20230024667A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten, dargestellt durch Li6PS5X (wobei X ausgewählt ist aus Chlorid, Bromid, Iod oder einer Kombination davon) vor, der eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10-4S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10-3S/cm bei ungefähr 25 °C aufweist. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung zur Bildung eines Vorläufers, wobei die erste Suspension eine Li3PS4-Suspension ist, die ein Esterlösungsmittel umfasst, und die erste Lösung eine Lösung aus Li2S und LiX (wobei X aus Chlorid, Bromid oder Iod oder einer Kombination davon ausgewählt ist) ist, die ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus dem Vorläufer zur Bildung des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, wie z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, einschließlich Automobilprodukten, wie z.B. Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), akkumulatorgestützte Systeme („µBAS“), Hybridelektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen zwei Elektroden und eine Elektrolytkomponente und/oder einen Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können außerdem verschiedene Pol- und Verpackungsmaterialien umfassen. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren, indem Lithiumionen reversierbar zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und hergeleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen beim Laden des Akkumulators von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode und beim Entladen des Akkumulators in die entgegengesetzte Richtung bewegen.
Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten und kann, wie die beiden Elektroden, in fester Form, flüssiger Form oder einer fest-flüssigen Mischform vorliegen. Im Falle eines Festkörperakkumulators kann eine Festkörperelektrolytschicht zwischen den Festkörperelektroden angeordnet sein, um eine physische Trennung derart zu gewährleisten, dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist. In jedem Fall kann ein Argyrodit enthaltender Festkörperelektrolyt verwendet werden, z.B. Argyrodit Li₆PS₅X, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist. Dieser Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann sich auch in der negativen und/oder der positiven Elektrode befinden. Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyte werden häufig mit Hilfe von Kugelmahlverfahren hergestellt. Mit solchen Verfahren kann es jedoch schwierig sein, Produkte mit hoher Phasenreinheit sowie einheitlicher Stöchiometrie und Größe zu erhalten. Solche Verfahren sind oft zeit- und energieaufwändig und lassen sich in der Herstellung nur schlecht skalieren. Daher wäre es wünschenswert, Verfahren zur Herstellung von Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten zu entwickeln, die die Herstellungsprozesse verbessern.
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 Festkörperakkumulatoren und insbesondere auf Festkörperelektrolyte und Verfahren zu deren Herstellung.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten vor. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung, um einen Vorläufer zu bilden, wobei die erste Suspension Li₃PS₄ und ein Esterlösungsmittel umfasst und die erste Lösung Li₂S, LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus dem Vorläufer, um den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt zu bilden, wobei der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt durch die Formel Li₆PS₅X dargestellt ist, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist und der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3 S/cm bei ungefähr 25 °C aufweist.
Bei einem Aspekt kann das Esterlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, Methylbutyrat, Methylpentanoat, Ethylformiat, Ethylacetat, Ethylpropionat, Ethylbutyrat, Ethylpentanoat, Ethylhexanoat, Ethylheptanoat, Ethyloctanoat, Ethyldecanoat, Propylacetat, Propylpropanoat, Isopropylacetat, Isopropylpalmitat, Butylacetat, Butylbutyrat, Isobutylacetat, Amylacetat, Pentylpropanoat, Pentylbutyrat, Pentylpentanoat, Pentylhexanoat, Isoamylacetat, sec-Amylacetat und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann das alkoholische Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus 1-Butanol, 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol, 1-Pentanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol, Isopentanol, Neopentanol, Cyclopentanol, Hexanol, Cyclohexanol, Methylcyclohexanol, Heptanol, Nonanol und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung zur Bildung eines Vorläufers das Bilden eines Gemischs, das die erste Suspension und die erste Lösung umfasst, sowie das Mischen und Rühren des Gemischs umfassen.
Bei einem Aspekt kann das Gemisch über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden gemischt und gerührt werden.
Bei einem Aspekt kann der Vorläufer ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX von 1:1:1 aufweisen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Suspension umfassen. Das Herstellen der ersten Suspension kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel umfassen, um ein Gemisch zu bilden, sowie das Mischen und Rühren des Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden.
Bei einem Aspekt kann das Gemisch ein Molverhältnis von Li₂S und P₂S₅ von größer oder gleich ungefähr 2,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 3,1 aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die Gesamtkonzentration von Li₂S und P₂S₅ in der Mischung größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% betragen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Lösung umfassen. Das Herstellen der ersten Lösung kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX in dem Alkohollösungsmittel umfassen, um ein Gemisch zu bilden, sowie das Mischen und Rühren des Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden.
Bei einem Aspekt kann das Gemisch ein Molverhältnis von Li₂S und LiX von größer oder gleich ungefähr 0,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1 aufweisen.
Bei einem Aspekt kann eine Gesamtkonzentration von Li₂S und LiX in der Mischung größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% betragen.
Bei einem Aspekt kann das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus der Vorläuferlösung zur Bildung des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten das Erhitzen des Vorläufers auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 700 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden umfassen.
Bei einem Aspekt kann der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt eine Vielzahl von Li₆PS₅X-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode vor, die einen Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt umfasst. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: das In-Kontakt-Bringen einer Vorläuferflüssigkeit und einer Vorläuferelektrode, wobei die Vorläuferflüssigkeit ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX von 1:1:1 umfasst, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist, suspendiert in einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Esterlösungsmittel und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und das Entfernen des Kombinationslösungsmittelsystems, das das Esterlösungsmittel und das alkoholische Lösungsmittel umfasst, aus der Vorläuferflüssigkeit, um die Elektrode, die den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt umfasst, zu bilden. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann durch die Formel Li₆PS₅X dargestellt werden, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3S/cm bei ungefähr 25 °C aufweisen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der Vorläuferflüssigkeit umfassen. Das Herstellen der Vorläuferflüssigkeit kann das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung umfassen, wobei die erste Suspension Li₃PS₄ und ein Esterlösungsmittel umfasst und die erste Lösung das Li₂S, das LiX und das alkoholische Lösungsmittel umfasst.
Bei einem Aspekt kann das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung zur Bildung einer Vorläuferflüssigkeit das Bilden eines ersten Gemischs, das die erste Suspension und die erste Lösung umfasst, sowie das Mischen und Rühren des ersten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden umfassen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Suspension umfassen. Das Herstellen der ersten Suspension kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel umfassen, um ein zweites Gemisch zu bilden, sowie das Mischen und Rühren des zweiten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Lösung umfassen. Das Herstellen der ersten Lösung kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX in dem alkoholischen Lösungsmittel umfassen, um ein drittes Gemisch zu bilden, sowie das Mischen und Rühren des dritten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden.
Bei einem Aspekt kann das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus der Vorläuferflüssigkeit das Erhitzen der Vorläuferflüssigkeit auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 700 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Elektrode eine Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen umfassen und der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann eine durchgehende Beschichtung auf den elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen bilden.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle vor, die einen Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt umfasst. Das Verfahren kann Folgendes umfassen: das In-Kontakt-Bringen einer Vorläuferflüssigkeit und wenigstens eines Teils einer Vorläuferzelle, wobei die Vorläuferflüssigkeit ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX von 1:1:1 umfasst, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist, suspendiert in einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Esterlösungsmittel und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und das Entfernen des Kombinationslösungsmittelsystems, das das Esterlösungsmittel und das alkoholische Lösungsmittel umfasst, aus der Vorläuferflüssigkeit, um die elektrochemische Zelle, die den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt umfasst, zu bilden. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann durch die Formel Li₆PS₅X dargestellt werden, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3 S/cm bei ungefähr 25 °C aufweisen.
Bei einem Aspekt kann das Verfahren ferner das Herstellen der Vorläuferflüssigkeit umfassen. Das Herstellen der Vorläuferflüssigkeit kann Folgendes umfassen: das Herstellen einer ersten Suspension, wobei das Herstellen der ersten Suspension das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel zur Bildung eines zweiten Gemisches und das Mischen und Rühren des zweiten Gemisches über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden umfasst, das Herstellen der ersten Lösung, wobei das Herstellen der ersten Lösung das In-Kontakt-Bringen des Li₂S und des LiX in dem alkoholischen Lösungsmittel zur Bildung eines dritten Gemisches und das Mischen und Rühren des dritten Gemisches über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden umfasst, und das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Festkörperakkumulators.
2 zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bildung eines Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyten (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) zur Verwendung in einem Festkörperakkumulator, wie er in 1 veranschaulicht ist.
3A zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bildung einer Elektrode, die einen Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) zur Verwendung in einem Festkörperakkumulator umfasst, wie er in 1 veranschaulicht ist.
3B zeigt eine weitere Veranschaulichung des in 3A dargestellten beispielhaften Verfahrens.
4A zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bildung eines Festkörperakkumulators, der einen Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfasst, wie z.B. des beispielhaften Festkörperakkumulators, der in 1 veranschaulicht ist.
4B zeigt eine weitere Veranschaulichung des in 4A dargestellten beispielhaften Verfahrens.
4C zeigt eine weitere Veranschaulichung des in 4A dargestellten beispielhaften Verfahrens.
4D zeigt eine weitere Veranschaulichung des in 4A dargestellten beispielhaften Verfahrens.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ 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 dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen 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 Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einer anderen Komponente, einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein 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, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden erörtert werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausgestaltungen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin 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 veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen 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. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner 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 Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Festkörperakkumulatoren und insbesondere auf Festkörperelektrolyte und Verfahren zu deren Herstellung. Festkörperakkumulatoren können wenigstens eine feste Komponente umfassen, z.B. wenigstens eine feste Elektrode, aber bei bestimmten Abwandlungen auch halbfeste oder gelförmige, flüssige oder gasförmige Komponenten. Solche Festkörperakkumulatoren können in Energiespeichervorrichtungen wie wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingebaut werden, die in Autotransportanwendungen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) verwendet werden können. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Geräten, Gebäuden (z.B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstung, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulator vor, der eine hohe Temperaturtoleranz sowie verbesserte Sicherheit und überlegene Leistungsfähigkeit und Lebensdauer aufweist.
Eine beispielhafte schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Festkörperzelleneinheit (auch als „Festkörperakkumulator“ und/oder „Akkumulator“ bezeichnet) 20, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 1 gezeigt. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode (d.h. eine Anode) 22, eine positive Elektrode (d.h. eine Kathode) 24 und einen Separator 26 (z.B. einen mikroporösen polymeren Separator), der einen Raum einnimmt, der zwischen zwei oder mehreren Elektroden definiert ist. Der Separator 26 trennt die negative Elektrode 22 physisch von der positiven Elektrode 24. Der Separator 26 zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 kann wenigstens teilweise und bei bestimmten Abwandlungen im Wesentlichen mit einem Festkörperelektrolyt 30 gefüllt sein. Befinden sich im Inneren der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 Poren, können die Poren außerdem wenigstens teilweise und bei bestimmten Abwandlungen im Wesentlichen mit dem Festkörperelektrolyt 30 gefüllt sein, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden, das ein kontinuierliches Lithium-Ionen-Leitungsnetz sein kann.
Ein der negativen Elektrode zugeordneter Stromkollektor 32 kann sich an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 befinden. Ein der positiven Elektrode zugeordneter Stromkollektor 34 kann sich an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 befinden. Der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 32 kann aus einer Edelstahlfolie oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein. Der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 kann aus Aluminium oder einem anderen elektrisch leitenden Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein. Der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 32 und der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg (wie durch die Blockpfeile dargestellt). Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor 34) verbinden.
Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, 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 ein geringeres Potenzial als die positive Elektrode 24 aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen (durch Pfeile in 1 angezeigt). Die beim chemischen Potenzial vorhandene Differenz zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 treibt die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den Separator 26 zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26 zur positiven Elektrode 24, wo sie abgeschieden, zur Reaktion gebracht oder interkaliert werden können. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden (in der Richtung der Pfeile), bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität des Akkumulators 20 verringert ist.
Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle (z.B. ein Ladegerät) an den Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators stattfinden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kfz-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist. Der Anschluss der externen Stromquelle an den Akkumulator 20 fördert eine Reaktion, z.B. eine nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zur negativen Elektrode 22 zurückfließen, und die Lithiumionen, die sich durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch beim nächsten Entladezyklus des Akkumulators auf. Als solcher wird jeder vollständige Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden.
Obwohl das veranschaulichte Beispiel eine einzelne positive Elektrode 24 und eine einzelne negative Elektrode 22 umfasst, wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen anwendbar sind, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie auf verschiedene Stromkollektoren und Stromkollektorfolien mit elektroaktiven Teilchenschichten, die auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet oder darin eingebettet sind. Ebenfalls ist anzumerken, dass der Akkumulator 20 eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen kann, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dem Fachmann dennoch bekannt sind. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen und jegliche anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden können.
In vielen Anordnungen werden jeweils der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z.B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger) hergestellt und in Schichten, die in einer Reihenanordnung verbunden sind, zusammengebaut, um ein geeignetes elektrisches Energie-, Akkumulatorspannungs- und Leistungspaket bereitzustellen, z.B. um einen „SECC“ (Series-Connected Elementary Cell Core, in Reihe angeordneter elementarer Zellenkern) zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann der Akkumulator 20 ferner parallel geschaltete Elektroden 22, 24 umfassen, um geeignete elektrische Energie, Akkumulatorspannung und Leistung bereitzustellen, z.B. um einen „PECC“ (Parallel-Connected Elementary Cell Core, parallel angeordneter elementarer Zellenkern) zu erhalten.
Die Größe und Form des Akkumulators 20 können je nach den speziellen Anwendungen, für die er ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts-, Spannungs-, Energie- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Der Akkumulator 20 kann einen elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die mit dem externen Stromkreis 40 wirkverbunden sein kann. Die Lastvorrichtung 42 kann mit dem elektrischen Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich der Akkumulator 20 entlädt, vollständig oder teilweise gespeist werden. Während es sich bei der Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere nicht einschränkende Beispiele von Strom verbrauchenden Lastvorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die negative Elektrode 22 aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Zum Beispiel kann bei bestimmten Abwandlungen die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 50 definiert sein. In bestimmten Fällen, die allerdings nicht veranschaulicht sind, umfasst die negative Elektrode 22 ein Gemisch aus den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und dem Festkörperelektrolyt 30. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% des Festkörperelektrolyten 30 umfassen. Die negative Elektrode 22 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 400 µm aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 lithiumbasiert sein; zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 eine kohlenstoffhaltige Anode sein und die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 können ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen, wie z.B. Graphit, Graphen, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs). Bei anderen Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 siliciumbasiert sein und z.B. eine Siliciumlegierung und/oder ein Silicium-Graphit-Gemisch umfassen. Bei noch anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Lithiumlegierung oder ein Lithiummetall umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen, wie Lithiumtitanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Metalloxide (z.B. TiO₂ und/oder V₂O₅), Metallsulfide (z.B. FeS), Übergangsmetalle (z.B. Zinn (Sn)) und andere lithiumaufnehmende Materialien. Somit können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 aus der Gruppe ausgewählt sein, die nur zum Beispiel Lithium, Graphit, Graphen, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren, Silicium, siliciumhaltige Legierungen, zinnhaltige Legierungen und jede beliebige Kombination davon umfasst.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ferner einen oder mehrere leitfähige Zusatzstoffe und/oder Bindemittel umfassen. Beispielsweise können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 (und optional der Festkörperelektrolyt 30) optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien (nicht gezeigt), die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder wenigstens einem polymeren Bindemittelmaterial (nicht gezeigt), das die strukturelle Intaktheit der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein.
Zum Beispiel können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 (und optional der Festkörperelektrolyt 30) optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyethylenglykol (PEG) und/oder Lithium-Polyacrylat-Bindemittel (LiPAA-Bindemittel). Elektrisch leitende Materialien können beispielsweise kohlenstoffbasierte Materialien oder ein leitfähiges Polymer sein. Kohlenstoffbasierte Materialien können beispielsweise Graphitteilchen, Acetylenschwarz (z.B. KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern (z.B. Nanofasern) und Kohlenstoffnanoröhren, Graphen (z.B. Graphenoxid), Ruß (z.B. Super P) und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. Bei bestimmten Aspekten können Gemische aus den leitfähigen Materialien und/oder Bindemittelmaterialien verwendet werden.
Die negative Elektrode 22 kann größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitenden Zusatzstoffe und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel umfassen.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem lithiumbasierten elektroaktiven Material gebildet sein, das einer Lithiuminterkalation und -deinterkalation unterzogen werden kann, während es als positiver Pol des Akkumulators 20 fungiert. Zum Beispiel kann bei bestimmten Abwandlungen die positive Elektrode 24 durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 60 definiert sein. In bestimmten Fällen, die allerdings nicht veranschaulicht sind, umfasst die positive Elektrode 24 ein Gemisch aus den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und den Festkörperelektrolytteilchen 30. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% des Festkörperelektrolyten 30 umfassen. Die positive Elektrode 24 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 400 µm aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine geschichtete Oxidkathode, eine Spinellkathode oder eine Polyanionkathode sein. In den Fällen einer geschichteten Oxidkathode (z.B. Steinsalz-Schichtoxide) können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 beispielsweise ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die für Lithium-Ionen-Festkörperakkumulatoren aus LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_yAl_1-x-yO₂ (wobei 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1) ausgewählt sind. Die Spinellkathode kann ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, wie z.B. LiMn₂O₄ und L-Ni_0,5Mn_1,5O₄. Das Polyanionenkation kann zum Beispiel für Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein Phosphat, wie LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄ oder Li₃V₂(PO₄)F₃, und/oder ein Silikat, wie LiFeSiO₄ für Lithium-Ionen-Akkumulatoren, umfassen. Auf diese Weise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 bei verschiedenen Aspekten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn₂O₄, LiNi_xMn_1,5O₄, LiFePO₄, LiVPO₄, LiV₂(PO₄)₃, Li₂FePO₄F, Li₃Fe₃(PO₄)₄, Li₃V₂(PO₄)F₃, LiFeSiO₄ und Kombinationen davon besteht. Bei bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 beschichtet sein (z.B. mit LiNbO₃ und/oder Al₂O₃) und/oder das positive elektroaktive Material kann dotiert sein (z.B. mit Aluminium und/oder Magnesium).
Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 ferner einen oder mehrere leitfähige Zusatzstoffe und/oder Bindemittel umfassen. Beispielsweise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 (und optional der Festkörperelektrolyt 30) optional mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Materialien (nicht gezeigt), die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder wenigstens einem polymeren Bindemittelmaterial (nicht gezeigt), das die strukturelle Intaktheit der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt sein.
Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 (und optional der Festkörperelektrolyt 30) optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Polyethylenglykol (PEG) und/oder Lithium-Polyacrylat-Bindemittel (LiPAA-Bindemittel). Elektrisch leitende Materialien können beispielsweise kohlenstoffbasierte Materialien oder ein leitfähiges Polymer sein. Kohlenstoffbasierte Materialien können beispielsweise Graphitteilchen, Acetylenschwarz (z.B. KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstofffasern (z.B. Nanofasern) und Kohlenstoffnanoröhren, Graphen (z.B. Graphenoxid), Ruß (z.B. Super P) und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. Bei bestimmten Aspekten können Gemische aus den leitfähigen Zusatzstoffen und/oder Bindemittelmaterialien verwendet werden.
Die positive Elektrode 24 kann größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren elektrisch leitenden Zusatzstoffe und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel umfassen.
Der Separator 26 stellt einen mechanischen Träger und eine elektrische Trennung zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 bereit, wodurch ein physischer Kontakt verhindert wird. Bei bestimmten Abwandlungen kann der poröse Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator sein, der ein Polyolefin umfasst. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann.
Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. Bei bestimmten Aspekten kann es sich bei dem Polyolefin um Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP handeln. Im Handel erhältliche Membranen 26 für poröse Polyolefin-Separatoren umfassen CELGARD^® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC angeboten werden.
Ist der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator, kann es sich um ein einschichtiges oder ein mehrschichtiges Laminat handeln, das entweder im Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. Bei anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstreckt, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um den mikroporösen polymeren Separator 26 zu bilden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, zu denen unter anderen Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen, gehören. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in den Separator 26 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 ein hochtemperaturstabiler (z.B. über 150 °C) Separator sein, der Vliesstoffe auf Polyimid-(Pl-)Nanofaserbasis, mit Al₂O₃ und Poly(lithium-4-styrolsulfonat) beschichtete Polyethylenmembranen in Nanogröße, mit Co-Polyimid beschichtete Polyethylen-Separatoren, Separatoren aus Polyetherimiden (PEI) (Bisphenol-A-bis(phthalsäureanhydrid) (BPADA) und Para-Phenylendiamin), Separatoren aus expandiertem, mit Polytetrafluorethylen verstärktem Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen, aus Nanofasern bestehende Separatoren mit Sandwichstruktur aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) / Poly(m-phenylenisophthalamid (PMIA) / Polyvinylidenfluorid (PVDF) und dergleichen umfasst.
In jedem Fall kann der Separator 26 ferner eine keramische Beschichtung und/oder Beschichtung aus einem hitzebeständigen Material umfassen. Beispielsweise kann die keramische Beschichtung und/oder die Beschichtung aus hitzebeständigem Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das Material, das die Keramikschicht bildet, kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon besteht. Das hitzebeständige Material kann z.B. aus NOMEX™ und/oder ARAMID ausgewählt sein.
Die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 können jeweils einen Festkörperelektrolyt 30 in ihren Poren umfassen, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Zum Beispiel kann der Separator 26 größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% des Festkörperelektrolyten 30 umfassen. Bei verschiedenen Aspekten kann der Festkörperelektrolyt 30 ein Argyrodit enthaltender Festkörperelektrolyt sein, zum Beispiel Argyrodit, das durch die Formel Li₆PS₅X dargestellt ist, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist. Bei bestimmten Abwandlungen kann der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt, dargestellt durch die Formel Li₆PS₅X, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist, in Form einer Vielzahl von Teilchen vorliegen, die in den Poren des Separators 26 und/oder der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 angeordnet sind, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden, das ein kontinuierliches Lithium-Ionen-Leitungsnetz sein kann. Der Festkörperelektrolyt 30 kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,01 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 3 µm aufweisen. Bei anderen Abwandlungen kann der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt, dargestellt durch Li₆PS₅X, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist, die Poren in dem Separator 26 beschichten oder ausfüllen und außerdem die elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 50, 60 in der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 beschichten, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden, das ein kontinuierliches Lithium-Ionen-Leitungsnetz sein kann.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten zur Verwendung in einem Festkörperakkumulator vor, wie z.B. dem in 1 veranschaulichten Akkumulator 20. Beispielsweise ist in der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten denkbar, wobei das Verfahren allgemein das gleichzeitige oder anschließende Herstellen einer ersten Suspension, die Li₃PS₄ umfasst, und einer ersten Lösung, die Li₂S und LiX umfasst, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist, und das Mischen der ersten Suspension und der ersten Lösung umfasst, um eine Vorläuferbeimischung oder -flüssigkeit zu bilden. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt kann durch Entfernen der Flüssigkeiten oder Trocknen der Vorläuferflüssigkeit hergestellt werden.
Zum Beispiel veranschaulicht 2 ein beispielhaftes Verfahren 200 zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten, dargestellt durch Li₆PS₅X, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist. Das Verfahren 200 kann das In-Kontakt-Bringen 230 einer ersten Suspension und einer ersten Lösung umfassen.
Bei der ersten Suspension kann es sich um eine Suspension handeln, die Li₃PS₄ und ein Esterlösungsmittel umfasst. In der ersten Suspension ist das Li₃PS₄ nicht notwendigerweise solvatisiert; vielmehr kann das Esterlösungsmittel als Träger oder Bindemittellösung verwendet werden, um unlösliche Bestandteile, wie Li₃PS₄, zu suspendieren. Das Esterlösungsmittel kann einen oder mehrere Methylester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, Methylbutyrat, Methylpentanoat und dergleichen), Ethylester (z.B. Ethylformiat, Ethylacetat, Ethylpropionat, Ethylbutyrat, Ethylpentanoat, Ethylhexanoat, Ethylheptanoat, Ethyloctanoat, Ethyldecanoat und dergleichen), Propylester (z.B. Propylacetat, Propylpropanoat, Isopropylacetat, Isopropylpalmitat und dergleichen), Butylester (z.B. Butylacetat, Butylbutyrat, Isobutylacetat und dergleichen), Amylester (z.B. Amylacetat, Pentylpropanoat, Pentylbutyrat, Pentylpentanoat, Pentylhexanoat, Isoamylacetat, sec-Ameylacetat und dergleichen) und jede beliebige Kombination davon umfassen.
Die erste Lösung kann Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in einem alkoholischen Lösungsmittel umfassen. Beispielsweise kann die erste Lösung größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6 Gew.-% Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel umfassen. Das alkoholische Lösungsmittel kann Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol (z.B. 1-Butanol, 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol), Pentanol (z.B. 1-Pentanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol, Isopentanol, Neopentanol, Cyclopentanol und dergleichen) und jede beliebige Kombination davon umfassen, auch einschließlich geradkettiger, verzweigter und cyclischer Isomere anderer höherer Alkohole, wie Hexanol, Cyclohexanol, Methylcyclohexanol, Heptanol (z.B. 1-Heptanol, 2-Heptanol, 3-Heptanol, 4-Heptanol, Iso-Heptanol und andere Isomere), Nonanol und dergleichen.
Bei verschiedenen Aspekten kann durch das In-Kontakt-Bringen 230 der ersten Suspension und der ersten Lösung eine Vorläufermischung gebildet werden, die die erste Suspension und die erste Lösung umfasst, und die Vorläufermischung wird gemischt und gerührt, um eine Vorläuferflüssigkeit zu bilden. Beispielsweise können die erste Suspension und die erste Lösung über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Stunden gemischt und gerührt werden. Die Vorläufermischung kann ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX von 1:1:1 aufweisen (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist).
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 200 das Herstellen 210 der ersten Suspension. Das Herstellen 210 der ersten Suspension kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel zur Bildung eines ersten Gemischs und das Mischen und Rühren des ersten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 12 Stunden umfassen. Ein Molverhältnis von Li₂S und P₂S₅ in der ersten Mischung kann größer oder gleich ungefähr 2,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 3,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und P₂S₅ in dem ersten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 10 Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das erste Gemisch zunächst ungefähr 0,1984 g Li₂S, ungefähr 0,3204 g P₂S₅ und ungefähr 4,6671 g Ethylpropionat (EP) umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 200 das Herstellen 220 der ersten Lösung. Das Herstellen 220 der ersten Lösung kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel zur Bildung eines zweiten Gemischs und das Mischen und Rühren des zweiten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,5 Stunden umfassen. Das Molverhältnis von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6% Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das zweite Gemisch zunächst ungefähr 0,1346 g Li₂S, 0,2519 g LiBr und ungefähr 5,9980 g Ethanol umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 200 das Entfernen 240 der Lösungsmittel (z.B. Ester- und Alkohol-Kombinationslösungsmittel) aus der Vorläuferflüssigkeit, um den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), zu bilden. Das Entfernen 240 der Lösungsmittel kann das Trocknen der Vorläuferflüssigkeit umfassen, um Flüssigkeiten beispielsweise bei Unterdruck durch Vakuumtrocknen zu entfernen, beispielsweise bei einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 700 °C, optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 550 °C, optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 90 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3 Stunden. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt, dargestellt durch Li₆PS₅X, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist, kann eine Vielzahl von Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 3 µm umfassen. Der Argyrodit Li₆PS₅X enthaltende Festkörperelektrolyt, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist, kann eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3 S/cm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,4 × 10^-4 S/cm bei ungefähr 25 °C aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Akkumulators vor, der einen Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfasst. Beispielsweise ist in der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode denkbar, wobei das Verfahren allgemein das In-Kontakt-Bringen einer Vorläuferflüssigkeit mit einem Elektrodenvorläufer in Form einer elektroaktiven Materialschicht umfasst. Das Verfahren kann ferner das Trocknen der Vorläuferflüssigkeit umfassen, um den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt zu bilden, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), wobei die Vorläuferflüssigkeit durch ein Gemisch aus einer ersten Suspension, die Li₃PS₄ umfasst, und einer ersten Lösung, die Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfasst, hergestellt wird. Insbesondere wird der Fachmann erkennen, dass Li₆PS₅X aus der Kombination von Li₃PS₄ + Li₂S + LiX entsteht.
3A und 3B veranschaulichen zum Beispiel ein beispielhaftes Verfahren 300 zur Herstellung einer Elektrode 370, die einen Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt 362 umfasst, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist). Das Verfahren 300 kann das In-Kontakt-Bringen 350 einer Vorläuferflüssigkeit 352 und einer elektroaktiven Materialschicht 332 einer Vorläufer- oder jungfräulichen Elektrode 338 umfassen, nur zum Beispiel unter Verwendung eines Tropfen-, Sprüh- oder Tränkverfahrens. Bei bestimmten Abwandlungen kann das In-Kontakt-Bringen 350 der Vorläuferflüssigkeit 352 und der elektroaktiven Materialschicht 332 der Vorläuferelektrode 338 das Imprägnieren der Vorläuferelektrode 338 mit der Vorläuferflüssigkeit 352 umfassen. In jedem Fall kann die Vorläuferflüssigkeit 352 ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) von 1:1:1 umfassen, dispergiert in einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Esterlösungsmittel und ein alkoholisches Lösungsmittel, wie oben beschrieben, umfasst.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren das Herstellen 340 der Vorläuferelektrode 338. Wie in 3B veranschaulicht, umfasst die Vorläuferelektrode 338 eine elektroaktive Materialschicht 332, die auf oder benachbart zu einer Oberfläche eines Stromkollektors 334 angeordnet ist. Die elektroaktive Materialschicht 332 kann eine Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 336 umfassen. Das Herstellen 340 der Vorläuferelektrode 338 kann das Anordnen der Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 336 entlang der Oberfläche des Stromkollektors 334 umfassen, um die elektroaktive Materialschicht 332 zu bilden.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren das Herstellen 330 der Vorläuferflüssigkeit 352. Das Herstellen 330 der Vorläuferflüssigkeit 352 kann das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung umfassen. Bei der ersten Suspension kann es sich um eine Li₃PS₄-Suspension handeln, die ein Esterlösungsmittel umfasst. Bei der ersten Lösung kann es sich um eine aus Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) bestehende Suspension handeln, die das alkoholische Lösungsmittel umfasst. Beispielsweise kann die erste Lösung größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6 Gew.-% Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten kann das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung zum Bilden 330 der Vorläuferflüssigkeit 352 das Mischen und Rühren eines Gemischs aus der ersten Suspension und der ersten Lösung umfassen. Beispielsweise können die erste Suspension und die erste Lösung über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Stunden gemischt und gerührt werden.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 300 das Herstellen 310 der ersten Suspension. Das Herstellen 310 der ersten Suspension kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel zur Bildung eines ersten Gemischs und das Mischen und Rühren des ersten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 12 Stunden umfassen. Ein Molverhältnis von Li₂S und P₂S₅ in der ersten Mischung kann größer oder gleich ungefähr 2,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 3,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und P₂S₅ in dem ersten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 10 Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das erste Gemisch zunächst ungefähr 0,1984 g Li₂S, ungefähr 0,3204 g P₂S₅ und ungefähr 4,6671 g Ethylpropionat (EP) umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 300 das Herstellen 320 der ersten Lösung. Das Herstellen 320 der ersten Lösung kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel zur Bildung eines zweiten Gemischs und das Mischen und Rühren des zweiten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,5 Stunden umfassen. Ein Molverhältnis von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6% Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das zweite Gemisch zunächst ungefähr 0,1346 g Li₂S, ungefähr 0,2519 g LiBr und ungefähr 5,9980 g Ethanol umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 300 das Entfernen 360 der Lösungsmittel (z.B. Ester- und Alkohol-Kombinationslösungsmittel) aus der Vorläuferflüssigkeit 352, um den Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt 362 (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) zu bilden. Das Entfernen 360 der Lösungsmittel kann das Trocknen der Vorläuferflüssigkeit, optional bei Unterdruck, umfassen. Zum Beispiel kann das Verfahren das Vakuumtrocknen der Vorläuferflüssigkeit umfassen, beispielsweise bei einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 700 °C, optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 550 °C, optional größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 90 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3 Stunden.
Wie in 3B veranschaulicht, kann der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt 362, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), eine durchgehende Beschichtung auf den elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 336 bilden. Zum Beispiel können die elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 336 während des Verdampfens als Kristallisationskeim dienen, der eine Wachstumsseite für die Bildung des Festkörper-Argyrodits bereitstellt. Die Beschichtung kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,01 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 5 µm aufweisen. Die Elektrode 370 kann größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 20 Gew.-% des Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyten 362 (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfassen. Der Argyrodit Li₆PS₅X enthaltende Festkörperelektrolyt 362 (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) kann eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3 S/cm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,4 × 10^-4 S/cm bei ungefähr 25 °C aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperakkumulators vor, der einen Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfasst, wie z.B. den in 1 veranschaulichten Akkumulator 20. Beispielsweise sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperakkumulators vor, wobei das Verfahren allgemein das In-Kontakt-Bringen einer Vorläuferflüssigkeit und eines Vorläuferakkumulator- oder Akkumulatorzellenkerns und das Trocknen der Vorläuferflüssigkeit umfasst, um den Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) zu bilden, wobei die Vorläuferflüssigkeit ein Gemisch aus einer ersten Suspension, die Li₃PS₄ umfasst, und einer ersten Lösung, die Li₂S und LiX umfasst (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder Kombinationen davon ausgewählt ist), umfasst.
4A-4D veranschaulichen zum Beispiel ein beispielhaftes Verfahren 400 zur Herstellung eines Akkumulators 470, der einen Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyt 462 umfasst, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist). Das Verfahren 400 kann das In-Kontakt-Bringen 450 einer Vorläuferflüssigkeit 452 und eines Akkumulatorzellenkerns 438 umfassen. Die Vorläuferflüssigkeit 452 kann zum Beispiel in den Akkumulatorzellenkern 438 eingespritzt werden. Bei bestimmten Abwandlungen kann das In-Kontakt-Bringen 450 der Vorläuferflüssigkeit 452 und des Akkumulatorzellenkerns 438 das Imprägnieren des Akkumulatorzellenkerns 438 mit der Vorläuferflüssigkeit 452 umfassen. In jedem Fall kann die Vorläuferflüssigkeit 452 ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) von 1:1:1 umfassen, suspendiert in einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Esterlösungsmittel und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst.
Das Esterlösungsmittel kann einen oder mehrere Methylester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, Methylbutyrat, Methylpentanoat und dergleichen), Ethylester (z.B. Ethylformiat, Ethylacetat, Ethylpropionat, Ethylbutyrat, Ethylpentanoat, Ethylhexanoat, Ethylheptanoat, Ethyloctanoat, Ethyldecanoat und dergleichen), Propylester (z.B. Propylacetat, Propylpropanoat, Isopropylacetat, Isopropylpalmitat und dergleichen), Butylester (z.B. Butylacetat, Butylbutyrat, Isobutylacetat und dergleichen), Amylester (z.B. Amylacetat, Pentylpropanoat, Pentylbutyrat, Pentylpentanoat, Pentylhexanoat, Isoamylacetat, sec-Ameylacetat und dergleichen) und jede beliebige Kombination davon umfassen.
Das alkoholische Lösungsmittel kann Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol (z.B. 1-Butanol, 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol), Pentanol (z.B. 1-Pentanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol, Isopentanol, Neopentanol, Cyclopentanol und dergleichen) und jede beliebige Kombination davon umfassen, auch einschließlich geradkettiger, verzweigter und cyclischer Isomere anderer höherer Alkohole, wie Hexanol, Cyclohexanol, Methylcyclohexanol, Heptanol (z.B. 1-Heptanol, 2-Heptanol, 3-Heptanol, 4-Heptanol, Iso-Heptanol und andere Isomere), Nonanol und dergleichen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren das Herstellen 440 des Akkumulatorzellenkerns 438. Wie in 4B veranschaulicht, umfasst der Akkumulatorzellenkern 438 eine oder mehrere positive Elektroden 424, wie die positive Elektrode 24, die in 1 veranschaulicht ist und die eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 434 umfasst, und eine oder mehrere negative Elektroden 422, wie die negative Elektrode 22, die in 1 veranschaulicht ist und die eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 432 umfasst. Ein Separator 436, wie der Separator 26, der in 1 veranschaulicht ist, ist zwischen der positiven und der negativen Elektrode 424, 422 angeordnet. Das Herstellen 440 des Vorläuferakkumulators 438 kann das nacheinander erfolgende Anordnen der Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 432, 434, des Stromkollektors 438 und des Separators 436 umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren das Herstellen 430 der Vorläuferflüssigkeit 452. Das Herstellen 430 der Vorläuferflüssigkeit 452 kann das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung umfassen. Bei der ersten Suspension kann es sich um eine Li₃PS₄-Suspension handeln, die ein Esterlösungsmittel umfasst. Bei der ersten Lösung kann es sich um eine aus Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) bestehende Lösung handeln, die das alkoholische Lösungsmittel umfasst. Beispielsweise kann die erste Lösung größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6 Gew.-% Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten kann das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung zum Bilden 430 der Vorläuferflüssigkeit 452 das Mischen und Rühren eines Gemischs aus der ersten Suspension und der ersten Lösung umfassen. Beispielsweise können die erste Suspension und die erste Lösung über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 2 Stunden gemischt und gerührt werden.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 400 das Herstellen 410 der ersten Suspension. Das Herstellen 410 der ersten Suspension kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel zur Bildung eines ersten Gemischs und das Mischen und Rühren des ersten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 12 Stunden umfassen. Ein Molverhältnis von Li₂S und P₂S₅ in der ersten Mischung kann größer oder gleich ungefähr 2,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 3,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und P₂S₅ in dem ersten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 10 Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das erste Gemisch zunächst ungefähr 0,1984 g Li₂S, ungefähr 0,3204 g P₂S₅ und ungefähr 4,6671 g Ethylpropionat (EP) umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 400 das Herstellen 420 der ersten Lösung. Das Herstellen 420 der ersten Lösung kann das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem alkoholischen Lösungsmittel zur Bildung eines zweiten Gemischs und das Mischen und Rühren des zweiten Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 0,5 Stunden umfassen. Ein Molverhältnis von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1 und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,0 sein. Eine Gesamtkonzentration von Li₂S und LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) in dem zweiten Gemisch kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 6 Gew.-% betragen. Bei einem Beispiel kann das zweite Gemisch zunächst ungefähr 0,1346 g Li₂S, 0,2519 g LiBr und ungefähr 5,9980 g Ethanol umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst das Verfahren 400 das Entfernen 460 der Lösungsmittel (z.B. Ester- und Alkohol-Kombinationslösungsmittel) aus der Vorläuferflüssigkeit 452, um den Argyrodit Li₆PS₅X enthaltenden Festkörperelektrolyt 462 (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) zu bilden. Das Entfernen 460 der Lösungsmittel kann das Vakuumtrocknen der Vorläuferflüssigkeit umfassen, beispielsweise bei einer Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 300 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 3 Stunden. Dieser Niedrigtemperaturprozess gewährleistet die Stabilität der Polymerkomponenten der Elektroden 422, 424 und des Separators 436.
Wie in 4D veranschaulicht, kann der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt 462, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), eine durchgehende Beschichtung auf den elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen 432, 434 bilden. Der Argyrodit Li₆PS₅X enthaltende Festkörperelektrolyt 462 (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) kann außerdem die Poren in den Separatoren 436 füllen oder beschichten. Die Beschichtung kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,01 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 5 µm aufweisen. Die Elektrode 470 kann größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 20 Gew.-% des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten 462, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) umfassen. Der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt 462, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), kann eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10^-3 S/cm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 1,4 × 10^-4 S/cm bei ungefähr 25 °C aufweisen.

Die Kombination von Esterlösungsmittel und alkoholischem Lösungsmittel zur Verwendung während der Bildung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), wie des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten 30, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), der in 1 veranschaulicht ist, des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten 362, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), der in 3 veranschaulicht ist, und/oder des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten 462, dargestellt durch Li₆PS₅X (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist), der in 4 veranschaulicht ist, kann bestimmte Vorteile bereitstellen. Wie in TABELLE 1 veranschaulicht, kann beispielsweise ein Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Esterlösungsmittel und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, im Vergleich zu einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein zyklisches Etherlösungsmittel (z.B. Tetrahydrofuran) und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und/oder einem Kombinationslösungsmittelsystem, das ein Nitrillösungsmittel (z.B. Acetonitril) und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, sowohl eine verbesserte lonenbeständigkeit als auch eine verbesserte Reinheit aufweisen.

Beispiele	Kontrollgruppe 1	Kontrollgruppe 2	Experiment
Lösungsmittel für Li₂S und P₂S₅	Zyklischer Ether (z.B. Tetrahydrofuran)	Nitril (z.B. Acetonitril)	Ester (z.B. Ethylpropionat)
Lösungsmittel für Li₂S und LiBr	Alkohol (z.B. Ethanol)	Alkohol (z.B. Ethanol)	Alkohol (z.B. Ethanol)
Trocknungsbedingungen	90 °C / 3 Std.	90 °C / 3 Std.	90 °C / 3 Std.
Ionenbeständigkeit (EIS-Daten bei 25 °C)	~ 1.033 Ω	~ 577 Ω	~ 726 Ω
Teilchengröße	2-5 µm	1-3 µm	1-3 µm
Reinheit	Hoch	Niedrig	Hoch

Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten, wobei das Verfahren umfasst: das In-Kontakt-Bringen einer ersten Suspension und einer ersten Lösung, um einen Vorläufer zu bilden, wobei die erste Suspension Li₃PS₄ und ein Esterlösungsmittel umfasst und die erste Lösung Li₂S, LiX (wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer Kombination davon ausgewählt ist) und ein alkoholisches Lösungsmittel umfasst, und das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus dem Vorläufer, um den Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten, dargestellt durch die Formel Li₆PS₅X, zu bilden, wobei X aus Chlorid (Cl), Bromid (Br), Iod (I) oder einer beliebigen Kombination davon ausgewählt ist, zu bilden und der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt eine Ionenleitfähigkeit von größer oder gleich ungefähr 1,0 × 10^-4 S/cm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 × 10-³ S/cm bei ungefähr 25 °C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Esterlösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, Methylbutyrat, Methylpentanoat, Ethylformiat, Ethylacetat, Ethylpropionat, Ethylbutyrat, Ethylpentanoat, Ethylhexanoat, Ethylheptanoat, Ethyloctanoat, Ethyldecanoat, Propylacetat, Propylpropanoat, Isopropylacetat, Isopropylpalmitat, Butylacetat, Butylbutyrat, Isobutylacetat, Amylacetat, Pentylpropanoat, Pentylbutyrat, Pentylpentanoat, Pentylhexanoat, Isoamylacetat, sec-Amylacetat und Kombinationen davon besteht, und wobei das alkoholische Lösungsmittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 1-Butanol, 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol, 1-Pentanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol, Isopentanol, Neopentanol, Cyclopentanol, Hexanol, Cyclohexanol, Methylcyclohexanol, Heptanol, Nonanol und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das In-Kontakt-Bringen der ersten Suspension und der ersten Lösung zur Bildung eines Vorläufers das Bilden eines Gemischs, das die erste Suspension und die erste Lösung umfasst, und das Mischen und Rühren des Gemischs umfasst, wobei das Gemisch für einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden gemischt und gerührt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorläufer ein Molverhältnis von Li₃PS₄: Li₂S: LiX von 1:1:1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Suspension umfasst, wobei das Herstellen der ersten Suspension umfasst: das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und P₂S₅ in dem Esterlösungsmittel, um ein Gemisch zu bilden, und das Mischen und Rühren des Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 8 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 96 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gemisch ein Molverhältnis von Li₂S und P₂S₅ von größer oder gleich ungefähr 2,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 3,1 aufweist und eine Gesamtkonzentration von Li₂S und P₂S₅ in dem Gemisch größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner das Herstellen der ersten Lösung umfasst, wobei das Herstellen der ersten Lösung umfasst: das In-Kontakt-Bringen von Li₂S und LiX in dem alkoholischen Lösungsmittel, um ein Gemisch zu bilden, und das Mischen und Rühren des Gemischs über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 0,1 Stunden bis kleiner oder gleich ungefähr 24 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Gemisch ein Molverhältnis von Li₂S und LiX von größer oder gleich ungefähr 0,9 bis kleiner oder gleich ungefähr 1,1 aufweist und eine Gesamtkonzentration von Li₂S und LiX in dem Gemisch größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen des Esterlösungsmittels und des alkoholischen Lösungsmittels aus der Vorläuferlösung zur Bildung des Argyrodit enthaltenden Festkörperelektrolyten ferner umfasst: das Erhitzen des Vorläufers auf eine Temperatur von größer oder gleich ungefähr 80 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 700 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich ungefähr 30 Minuten bis kleiner oder gleich ungefähr 48 Stunden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Argyrodit enthaltende Festkörperelektrolyt eine Vielzahl von Li₆PS₅X-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm umfasst.