DE102022105204A1

DE102022105204A1 - Gelelektrolytsystem für Festkörperakkumulator

Info

Publication number: DE102022105204A1
Application number: DE102022105204.4A
Authority: DE
Inventors: Qili Su; Zhe Li; Mengyan Hou; Yong Lu; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2022-03-05
Publication date: 2023-02-16
Also published as: CN115939504A; US20230046608A1

Abstract

Es ist eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, vorgesehen. Die elektrochemische Zelle umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Elektrolytschicht. Die erste Elektrode umfasst eine erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt, wobei der erste polymere Gelelektrolyt einen ersten Zusatzstoff umfasst. Die zweite Elektrode umfasst eine zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt, der von dem ersten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist, wobei der zweite polymere Gelelektrolyt einen zweiten Zusatzstoff umfasst. Die Elektrolytschichten umfassen einen dritten polymeren Gelelektrolyt, der sowohl von dem ersten polymeren Gelelektrolyt als auch von dem zweiten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist.

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 und/oder einer fest-flüssigen Mischform vorliegen. Bei Festkörperakkumulatoren, die eine zwischen den Festkörperelektroden angeordnete Festkörperelektrolytschicht umfassen, trennt der Festkörperelektrolyt die Festkörperelektroden physikalisch, so dass kein gesonderter Separator erforderlich ist.
Festkörperakkumulatoren weisen gegenüber Akkumulatoren, die einen Separator und einen flüssigen Elektrolyt umfassen, Vorteile auf. Diese Vorteilen umfassen eine längere Haltbarkeit bei geringerer Selbstentladung, ein einfacheres Wärmemanagement, einen geringeren Verpackungsbedarf und die Fähigkeit, innerhalb eines größeren Temperaturfensters zu arbeiten. Beispielsweise sind Festkörperelektrolyte im Allgemeinen nicht flüchtig und nicht entflammbar, so dass die Zellen auch unter härteren Bedingungen zyklisiert werden können, ohne dass es zu einem verminderten Potenzial oder einem thermischen Durchgehen kommt, wie es bei der Verwendung flüssiger Elektrolyte der Fall sein kann. Festkörperakkumulatoren weisen jedoch oft eine vergleichsweise geringe Leistungsfähigkeit auf. Geringe Leistungsfähigkeiten können auf den Grenzflächenwiderstand innerhalb der Festkörperelektroden und/oder an der Elektrode sowie auf einen Grenzflächenwiderstand der Festkörperelektrolytschicht zurückzuführen sein, der durch einen begrenzten Kontakt oder Hohlräume zwischen den aktiven Festkörperteilchen und/oder den Festkörperelektrolytteilchen verursacht wird. Dementsprechend wäre es wünschenswert, hochleistungsfähige Ausführungen von Festkörperakkumulatoren und Materialien dafür sowie Verfahren zu entwickeln, die sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Energiedichte 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, beispielsweise bipolare Festkörperakkumulatoren, die ein polymeres Gelelektrolytsystem umfassen und einen verbesserten Grenzflächenkontakt aufweisen, sowie auf Verfahren zu ihrer Ausbildung.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Elektrolytschicht umfassen. Die erste Elektrode kann eine erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt umfassen. Die zweite Elektrode kann eine zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt umfassen, der von dem ersten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist. Die Elektrolytschicht kann einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfassen, der sowohl von dem ersten polymeren Gelelektrolyt als auch von dem zweiten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist.
Bei einem Aspekt kann der erste polymere Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines ersten Zusatzstoffs umfassen, und der zweite polymere Gelelektrolyt kann größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines zweiten Zusatzstoffs umfassen.
Bei einem Aspekt kann der erste Zusatzstoff eine Verbindung mit einer ungesättigten Kohlenstoffbindung, eine schwefelhaltige Verbindung, eine halogenhaltige Verbindung, ein mit Methyl substituiertes Glycolidderivat, ein Maleimid (MI), eine Verbindung mit einer elektronenziehenden Gruppe sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die ungesättigte Verbindung, die die Kohlenstoffbindung enthält, Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die schwefelhaltige Verbindung Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PyS) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die halogenhaltige Verbindung Fluorethylencarbonat (FEC), Chlorethylencarbonat (CI-EC) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann der zweite Zusatzstoff eine borhaltige Verbindung, eine siliciumhaltige Verbindung, eine phosphorhaltige Verbindung, eine Verbindung, die eine Phenylgruppe, eine Thiophenanilingruppe, eine Maleimidgruppe, eine Anilingruppe, eine Anisolgruppe, eine Adamantylgruppe, eine Furangruppe und/oder eine Thiophengruppe enthält, sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die borhaltige Verbindung Bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die siliciumhaltige Verbindung Tris(trimethylsilyl)phosphat (TMSP), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die phosphorhaltige Verbindung Triphenylphosphin (TPP), Ethyldiphenylphosphinit (EDP), Triethylphosphit (TEP) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Verbindung, die eine Phenylgruppe, eine Thiophenanilingruppe, eine Maleimidgruppe, eine Anilingruppe, eine Anisolgruppe, eine Adamantylgruppe, eine Furangruppe und/oder eine Thiophengruppe enthält, Biphenyl (BP), o-Terphenyl (OT), 2,2'-Bis[4-(4 Maleimidophenoxy)phenyl]propan (BMP), N,N-Dimethylanilin (DMA) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt können der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt ferner jeweils größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines polymeren Wirts umfassen.
Bei einem Aspekt können der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt jeweils einen polymeren Wirt umfassen, der jeweils unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Poly(ethylenoxid) (PEO), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt können der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt ferner jeweils größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines flüssigen Elektrolyten umfassen.
Bei einem Aspekt kann der dritte polymere Gelelektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines flüssigen Elektrolyten umfassen.
Bei einem Aspekt kann der polymere Wirt aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Poly(acrylnitril) (PAN), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(ethylenglykol) (PEG), Polyethylencarbonat (PEC), Poly(trimethylencarbonat) (PTMC), Poly(propylencarbonat) (PPC), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die Elektrolytschicht eine freistehende Membran sein, die durch den dritten polymeren Gelelektrolyt definiert ist. Die freistehende Membran kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 1.000 µm aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die Elektrolytschicht ferner größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% einer Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen.
Bei einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle ferner einen ersten bipolaren Stromkollektor, der auf oder benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche der ersten Elektrode und parallel zu der Elektrolytschicht angeordnet ist, einen zweiten bipolaren Stromkollektor, der auf oder benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche der zweiten Elektrode und parallel zu der Elektrolytschicht angeordnet ist, und eine oder mehrere Polymerbarrieren, die mit dem ersten bipolaren Stromkollektor und dem zweiten bipolaren Stromkollektor gekoppelt sind und sich zwischen diesen erstrecken, umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Elektrolytschicht umfassen. Die erste Elektrode kann eine erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt umfassen. Der erste polymere Gelelektrolyt kann größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines ersten Zusatzstoffs, größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% eines ersten polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines ersten flüssigen Elektrolyten umfassen. Die zweite Elektrode kann eine zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt umfassen. Der zweite polymere Gelelektrolyt kann größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines zweiten Zusatzstoffs, größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% eines zweiten polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines zweiten flüssigen Elektrolyten umfassen. Die Elektrolytschicht kann einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfassen. Der dritte polymere Gelelektrolyt kann größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines dritten polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines dritten flüssigen Elektrolyten umfassen.
Bei einem Aspekt sind der erste flüssige Elektrolyt, der zweite flüssige Elektrolyt und der dritte flüssige Elektrolyt identisch oder voneinander verschieden.
Bei einem Aspekt können der erste polymere Wirt und der zweite polymere Wirt jeweils unabhängig aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen) (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann der dritte polymere Wirt aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Poly(acrylnitril) (PAN), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(ethylenglykol) (PEG), Polyethylencarbonat (PEC), Poly(trimethylencarbonat) (PTMC), Poly-(propylencarbonat) (PPC), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann der erste Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC), Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PyS), Fluorethylencarbonat (FEC), Chlorethylencarbonat (CI-EC) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann der zweite Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB), Tris(trimethylsilyl)phosphat (TMSP), Triphenylphosphin (TPP), Ethyldiphenylphosphinit (EDP), Triethylphosphit (TEP), Biphenyl (BP), o-Terphenyl (OT), 2,2'-Bis[4-(4 Maleimidophenoxy)phenyl]propan (BMP), N,N-Dimethylanilin (DMA) sowie Kombinationen davon besteht.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden einer elektrochemischen Zelle vor, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren kann das Herstellen einer ersten gelgestützten Elektrode, das Herstellen einer zweiten gelgestützten Elektrode und das Herstellen einer Elektrolytschicht mit einer dritten Vorläuferflüssigkeit umfassen. Das Herstellen der ersten gelgestützten Elektrode kann das In-Kontakt-Bringen einer ersten Vorläuferelektrode und einer ersten Vorläuferflüssigkeit, die ein erstes Lösungsmittel und einen ersten Zusatzstoff enthält, und das Entfernen des ersten Lösungsmittels zur Bildung der ersten gelgestützten Elektrode umfassen. Das Herstellen der zweiten gelgestützten Elektrode kann das In-Kontakt-Bringen einer zweiten Vorläuferelektrode und einer zweiten Vorläuferflüssigkeit, die ein zweites Lösungsmittel und einen zweiten Zusatzstoff enthält, und das Entfernen des zweiten Lösungsmittels zur Bildung der zweiten gelgestützten Elektrode umfassen. Die erste Vorläuferflüssigkeit kann von der zweiten und der dritten Vorläuferflüssigkeit verschieden sein. Die zweite Vorläuferflüssigkeit kann von der ersten und der dritten Vorläuferflüssigkeit verschieden sein. Das Verfahren kann ferner das Stapeln der ersten gelgestützten Elektrode, der zweiten gelgestützten Elektrode und der Elektrolytschicht zur Bildung der elektrochemischen Zelle umfassen, wobei die Elektrolytschicht zwischen der ersten gelgestützten Elektrode und der zweiten gelgestützten Elektrode angeordnet ist.
Bei einem Aspekt kann der erste Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC), Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PyS), Fluorethylencarbonat (FEC), Chlorethylencarbonat (CI-EC) und Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann der zweite Zusatzstoff aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB), Tris(trimethylsilyl)phosphat (TMSP), Triphenylphosphin (TPP), Ethyldiphenylphosphinit (EDP), Triethylphosphit (TEP), Biphenyl (BP), o-Terphenyl (OT), 2,2'-Bis[4-(4 Maleimidophenoxy)phenyl]propan (BMP), N,N-Dimethylanilin (DMA) sowie Kombinationen davon besteht.
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.

1A zeigt eine Veranschaulichung eines beispielhaften Festkörperakkumulators gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
1B zeigt einen beispielhaften Festkörperakkumulator mit einem polymeren Gelelektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt einen weiteren beispielhaften Festkörperakkumulator mit einem polymeren Gelelektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt einen weiteren beispielhaften Festkörperakkumulator mit einem polymeren Gelelektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Akkumulators mit einem polymeren Gelelektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
5A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Zyklisierungsleistung einer beispielhaften Akkumulatorzelle zeigt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
5B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Entladung einer beispielhaften Akkumulatorzelle zeigt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
5C zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Geschwindigkeitsprüfungen einer beispielhaften Akkumulatorzelle zeigt, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.

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“ 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 Technologie bezieht sich auf Festkörperakkumulatoren, zum Beispiel bipolare Festkörperakkumulatoren, und Verfahren zu deren Bildung und Verwendung. 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. Festkörperakkumulatoren können eine bipolare Stapelbauweise aufweisen, die eine Vielzahl von bipolaren Elektroden umfasst, wobei ein erstes Gemisch aus elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer ersten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist und ein zweites Gemisch aus elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer zweiten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist, die parallel zur ersten Seite verläuft. Das erste Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Teilchen eines positiven Elektroden- oder Kathodenmaterials umfassen. Das zweite Gemisch kann als elektroaktive Festkörpermaterialteilchen Teilchen eines negativen Elektroden- oder Anodenmaterials umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen können in jedem Fall identisch oder voneinander verschieden sein.
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 und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Festkörperzelleneinheit (auch als „Festkörperakkumulator“ und/oder „Akkumulator“ bezeichnet) 20, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 1A und 1B gezeigt. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode (d.h. eine Anode) 22, eine positive Elektrode (d.h. eine Kathode) 24 und eine Elektrolytschicht 26, die einen Raum einnimmt, der zwischen zwei oder mehreren Elektroden definiert ist. Die Elektrolytschicht 26 ist eine trennende Festkörperschicht oder Halbfestkörperschicht, die die negative Elektrode 22 von der positiven Elektrode 24 physikalisch trennt. Die Elektrolytschicht 26 kann eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 umfassen. Eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 kann mit negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 in der negativen Elektrode 22 gemischt sein, und eine dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann mit positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 in der positiven Elektrode 24 gemischt sein, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden, das ein kontinuierliches Lithium-Ionen-Leitungsnetz sein kann.
Ein erster bipolarer Stromkollektor 32 kann an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Ein zweiter bipolarer Stromabnehmer 34 kann an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der erste und der zweite bipolare Stromkollektor 32, 34 können gleich oder voneinander verschieden sein. Zum Beispiel können der erste und der zweite bipolare Stromkollektor 32, 34 jeweils eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 2 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 30 µm aufweisen. Der erste und der zweite bipolare Stromkollektor 32, 34 können jeweils Metallfolien sein, die wenigstens eines der folgenden Materialien umfassen: Edelstahl, Aluminium, Nickel, Eisen, Titan, Kupfer, Zinn, Legierungen davon oder jedes andere elektrisch leitende Material, das dem Fachmann bekannt ist.
Bei bestimmten Abwandlungen können der erste bipolare Stromkollektor 34 und/oder der zweite bipolare Stromkollektor 34 eine plattierte Folie sein, bei der beispielsweise eine Seite (z.B. die erste Seite oder die zweite Seite) des Stromkollektors 32, 34 ein Metall (z.B. ein erstes Metall) und eine andere Seite (z.B. die andere Seite der ersten Seite oder der zweiten Seite) des Stromkollektors 232 ein anderes Metall (z.B. ein zweites Metall) umfasst. Nur zum Beispiel kann die plattierte Folie Aluminium-Kupfer (Al-Cu), Nickel-Kupfer (Ni-Cu), Edelstahl-Kupfer (SS-Cu), Aluminium-Nickel (Al-Ni), Aluminium-Edelstahl (AI-SS) und Nickel-Edelstahl (Ni-SS) umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen können der erste bipolare Stromkollektor 232A und/oder der zweite bipolare Stromkollektor 232B vorbeschichtet sein, z.B. mit Graphen oder kohlenstoffbeschichteten Aluminiumstromkollektoren.
In jedem Fall sammeln der erste bipolare Stromkollektor 32 und der zweite bipolare Stromkollektor 34 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 ersten bipolaren Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten bipolaren 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 1A und 1B 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. Parallel werden Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, durch die Elektrolytschicht 26 in Richtung der positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithiumionen wandern durch die Elektrolytschicht 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 die Elektrolytschicht 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 der Festkörperelektrolytschicht 26 oder um dieselben herum befinden können.
In vielen Anordnungen werden jeweils der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, die Elektrolytschicht 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 1A und 1B stellt die Festkörperelektrolytschicht 26 eine elektrische Trennung zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 bereit, wobei die elektrische Trennung einen physischen Kontakt verhindert. Die Festkörperelektrolytschicht 26 stellt außerdem einen Mindestwiderstand für den internen Durchgang von Ionen bereit. Bei verschiedenen Aspekten kann die Festkörperelektrolytschicht 26 durch eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 definiert sein. Die Festkörperelektrolytschicht 26 kann beispielsweise in Form einer Schicht oder eines Verbundstoffs vorliegen, der die erste Vielzahl Festkörperelektrolytteilchen 30 umfasst. Die Festkörperelektrolytteilchen 30 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,02 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 1 µm aufweisen. Die Festkörperelektrolytschicht 26 kann in Form einer Schicht mit einer Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm, optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm, optional ungefähr 40 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 30 µm vorliegen. Die Festkörperelektrolytschicht 26 kann eine interpartikuläre Porosität 80 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 30 aufweisen, die größer oder gleich 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-%, optional größer oder gleich ungefähr 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Vol.-% ist.
Die Festkörperelektrolytteilchen 30 können ein oder mehrere sulfidbasierte Teilchen, oxidbasierte Teilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidteilchen, inaktive Oxidteilchen, nitridbasierte Teilchen, hydridbasierte Teilchen, halogenidbasierte Teilchen und boratbasierte Teilchen umfassen.
Bei bestimmten Abwandlungen können die oxidbasierten Teilchen eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom Typ LISICON, Oxide vom Typ NASICON und Keramiken vom Typ Perowskit umfassen. Die Granatkeramik kann beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_6,2Ga_0,3La_2,95Rb_0,05Zr₂O₁₂, Li_6,85La_2,9Ca_0,1Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,25Al_0,25La₃Zr₂O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂ sowie Kombinationen davon besteht. Die Oxide vom Typ LISICON können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li_2+2xZn_1-xGeO₄ (wobei 0 < x < 1), Li₁₄Zn(GeO₄)₄, Li_3+x(P_1-xSi_x)O₄ (wobei 0 < x < 1), Li_3+xGe_xV_1-xO₄ (wobei 0 < x < 1) sowie Kombinationen davon besteht. Die Oxide vom Typ NASICON können durch LiMM'(PO₄)₃ definiert sein, wobei M und M' jeweils unabhängig aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La ausgewählt sind. Bei bestimmten Abwandlungen können die Oxide vom Typ NASICON beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (LAGP) (wobei 0 ≤ x ≤ 2), Li_1,4Al_0,4Ti_1,6(PO₄)₃, Li_1,3Al_0,3Ti_1,7(PO₄)₃, LiTi₂(PO₄)₃, LiGeTi(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, LiHf₂(PO₄)₃ sowie Kombinationen davon besteht. Die Keramiken vom Typ Perowskit können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li_3,3La_0,53TiO₃, LiSr_1,65Zr_1,3Ta_1,7O₉, Li_2x-ySr_1-xTa_yZr_1-yO₃ (wobei x = 0,75y und 0,60 < y < 0,75), Li_3/8Sr_7/16Nb_3/4Zr_1/14O₃, Li_3xLa_(2/3-x)TiO₃ (wobei 0 < x < 0,25) sowie Kombinationen davon besteht.
Nur zum Beispiel können bei bestimmten Abwandlungen die metalldotierten Oxidteilchen oder die mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierten Oxidteilchen aluminiumdotiertes (Al-dotiertes) oder niobdotiertes (Nb-dotiertes) Li₇La₃Zr₂O₁₂, antimondotiertes (Sb-dotiertes) Li₇La₃Zr₂O₁₂, galliumdotiertes (Ga-dotiertes) Li₇La₃Zr₂O₁₂, chromdotiertes (Cr-dotiertes) und/oder mit Vanadium (V) substituiertes LiSn₂P₃O₁₂, mit Aluminium (AI) substituiertes Li_1+x+yAl_xTi_2-xSi_YP_3-yO₁₂ (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3) sowie Kombinationen davon umfassen.
Nur zum Beispiel können bei bestimmten Abwandlungen die sulfidbasierten Teilchen ein pseudobinäres Sulfid, ein pseudoternäres Sulfid und/oder ein pseudoquatäres Sulfid umfassen. Beispiele für pseudobinäre Sulfidsysteme umfassen Li₂S-P₂S₅-Systeme (wie z.B. Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁ und Li_9,6P₃S₁₂), Li₂S-SnS₂-Systeme (wie z.B. Li₄SnS₄), Li₂S-SiS₂-Systeme, Li₂S-GeS₂-Systeme, Li₂S-B₂S₃-Systeme, Li₂S-Ga₂S₃-Systeme, Li₂S-P₂S₃-Systeme und Li₂S-Al₂S₃-Systeme. Beispiele für pseudoternäre Sulfidsysteme umfassen Li₂O-Li₂S-P₂S₅-Systeme, Li₂S-P₂S₅-P₂O₅-Systeme, Li₂S-P₂S₅-GeS₂-Systeme (wie z.B. Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄ und Li₁₀GeP₂S₁₂), Li₂S-P₂S₅-LiX-Systeme (wobei X für F, Cl, Br oder I steht) (wie z.B. Li₆PS_SBr, Li₆PS₅Cl, L₇P₂S₈I und Li₄PS₄I), Li₂S-As₂S₅-SnS₂-Systeme (wie z.B. Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄), Li₂S-P₂S₅-Al₂S₃-Systeme, Li₂S-LiX-SiS₂-Systeme (wobei Xfür F, Cl, Br oder I steht), 0,4Li1 · 0,6Li₄SnS₄ und Li₁₁Si₂PS₁₂. Beispiele für pseudoquatäre Sulfidsysteme umfassen Li₂O-Li₂S-P₂S₅-P₂O₅-Systeme, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li₇P_2,9Mn_0,1S_10,7I_0,3 und Li_10,35[Sn_0,27Si_1,08]P_1,65S₁₂.
Nur zum Beispiel können bei bestimmten Abwandlungen die inaktiven Oxidteilchen SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und Kombinationen davon umfassen; nur zum Beispiel können die nitridbasierten Teilchen Li₃N, Li₇PN₄, LiSi₂N₃ sowie Kombinationen davon umfassen; nur zum Beispiel können die hydridbasierten Teilchen LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei x = Cl, Br oder I), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂, Li₃AlH₆ sowie Kombinationen davon umfassen; nur zum Beispiel können die halogenidbasierten Teilchen Lil, Li₃InCl₆, Li₂CdC_I4, Li₂MgCl₄, LiCdI₄, Li₂ZnI₄, Li₃OCl, Li₃YCl₆, Li₃YBr₆ sowie Kombinationen davon umfassen; und nur zum Beispiel können die boratbasierten Teilchen Li₂B₄O₇, Li₂O-B₂O₃-P₂O₅ sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei verschiedenen Aspekten kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 ein oder mehrere Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem Li₂S-P₂S₅-System, einem Li₂S-P₂S₅-MO_x-System (wobei 1 < x < 7), einem Li₂S-P₂S₅-MS_x-System (wobei 1 < x < 7), Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li₆PS₅X (wobei X für Cl, Br oder I steht) (Lithiumargyrodit), Li₇P₂S₈I, Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄ (Thio-LISICON), L₁₀SnP₂S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, (1-x)P₂S₅-xLi₂S (wobei 0,5 ≤ x ≤ 0,7), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, PLi₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, Li_10,35Ge_1,35P_1,63S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2,19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li_3,833Sn₁₀,₈₃₃As_0,16S₄, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li_6,2Ga_0,3La_2,95Rb_0,05Zr₂O₁₂, Li_6,85La_2,9Ca_0,1Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, L_16,25Al_0,25La₃Zr₂O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_6,75La₃Zr_1,75Nb_0,25O₁₂, Li_2+2xZn_1-xGeO₄ (wobei 0 < x < 1), Li₁₄Zn(GeO₄)₄, Li_3+x(P_1-xSi_x)O₄ (wobei 0 < x < 1), Li_3+xGe_xV_1-xO₄ (wobei 0 < x < 1), LiMM'(PO₄)₃ (wobei M und M' jeweils unabhängig aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr, und La ausgewählt sind), Li_3,3La_0,53TiO₃, LiSr_1,65Zr_1,3Ta_1,7O₉, Li_2x-ySr_1-xTa_yZr_1-yO₃ (wobei x = 0,75y und 0,60 < y < 0,75), Li_3/8Sr_7/16Nb_3/4Zr_1/4O₃, Li_3xLa_(2/3-x)TiO₃ (wobei 0 < x < 0,25), aluminiumdotiertem (Al-dotiertem) oder niobdotiertem (Nb-dotiertem) Li₇La₃Zr₂O₁₂, antimondotiertem (Sb-dotiertem) Li₇La₃Zr₂O₁₂, galliumdotiertem (Ga-dotiertem) Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) substituiertem LiSn₂P₃O₁₂, mit Aluminium (AI) substituiertem Li_1+x+yAl_xTi_2-xSi_YP_3-yO₁₂ (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3), Lil-Li₄SnS₄, Li₄SnS₄, Li₃N, Li₇PN₄, LiSi₂N₃, LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei x = Cl, Br oder I), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂, Li₃AlH₆, Lil, Li₃InCl₆, Li₂CdC_I4, Li₂MgCl₄, LiCdI₄, Li₂ZnI₄, Li₃OCl, Li₂B₄O₇, Li₂O-B₂O₃-P₂O₅ sowie Kombinationen davon besteht.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 ein oder mehrere Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem Li₂S-P₂S₅-System, einem Li₂S-P₂S₅-MO_x-System (wobei 1 < x < 7), einem Li₂S-P₂S₅-MS_x-System (wobei 1 < x < 7), Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li₆PS₅X (wobei X für Cl, Br oder I steht) (Lithiumargyrodit), Li₇P₂S₈I, L_110,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄ (Thio-LISICON), Li₁₀SnP₂S₁₂, Li₁₀SiP₂S₁₂, Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, (1-x)P₂S₅-xLi₂S (wobei 0,5 ≤ x ≤ 0,7), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, PL₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, Li_10,35Ge_1,35P_1,63S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2,19S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, L_13,833Sn_0,833As_0.16S₄ sowie Kombinationen davon besteht.
Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, wird der Fachmann erkennen, dass in bestimmten Fällen ein oder mehrere Bindemittelteilchen mit den Festkörperelektrolytteilchen 30 gemischt sein können. Beispielsweise kann bei bestimmten Aspekten die Festkörperelektrolytschicht 26 größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren Bindemittel umfassen. Nur zum Beispiel können das eine oder die mehreren polymeren Bindemittel Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Lithiumpolyacrylat (LiPAA) umfassen.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Die negative Elektrode 22 kann in Form einer Schicht vorliegen, die eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 400 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 300 µm aufweist. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 50 definiert sein. Die negativen elektroaktiven Feststoffteilchen 50 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,01 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 50 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen.
In bestimmten Fällen kann die negative Elektrode 22, wie veranschaulicht, ein Verbundstoff sein, der ein Gemisch aus den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 umfasst. 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.-% der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 umfassen. Die negativen Elektroden 22 können eine interpartikuläre Porosität 82 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 90 aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Vol.-% ist.
Die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 kann mit der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 identisch oder davon verschieden sein. Bei bestimmten Abwandlungen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 ein oder mehrere kohlenstoffhaltige 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 umfasst die negative Elektrode 22 ferner einen oder mehrere leitfähige Zusatzstoffe und/oder Bindemittel. Beispielsweise können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 (und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90) 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 Festkörperelektrolytteilchen 50 (und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90) optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), 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 und -nanoröhren, 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 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. Die positive Elektrode 24 kann in Form einer Schicht vorliegen, die eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 400 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 300 µm aufweist. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 60 definiert sein. Die positiven elektroaktiven Feststoffteilchen 60 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,01 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 50 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm aufweisen.
In bestimmten Fällen ist die positive Elektrode 24, wie veranschaulicht, ein Verbundstoff, der ein Gemisch aus den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 umfasst. 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.-% der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 umfassen. Die positiven Elektroden 24 können eine interpartikuläre Porosität 84 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Vol.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Vol.-% ist.
Die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann mit der ersten und/oder zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30, 90 identisch oder davon verschieden sein.
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 LiNi_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 sowie 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 anderen Abwandlungen umfasst die positive Elektrode 24 Kathodenmaterialien mit niedriger Spannung (z.B. < 3,0 V). Die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 können beispielsweise lithiierte Metalloxide, Lithiummetallsulfide (z.B. LiTiS₂), Lithiumsulfid, Schwefel und dergleichen umfassen.
In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 ferner einen oder mehrere leitfähige Zusatzstoffe und/oder Bindemittel umfassen. Beispielsweise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 (und/oder die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92) 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 Festkörperelektrolytteilchen 60 (und/oder die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92) optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), 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 und -nanoröhren, 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 positive Elektrode 24 kann 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.
Wie in 1A veranschaulicht, kann der direkte Kontakt zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 50, 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 30, 90, 92 viel geringer sein als der Kontakt zwischen einem flüssigen Elektrolyt und elektroaktiven Festkörperteilchen in vergleichbaren Akkumulatoren, die keine Festkörperakkumulatoren sind. Beispielsweise kann ein Akkumulator 20 in umweltschonender Ausführung eine interpartikuläre Gesamtporosität im Festkörperelektrolyt aufweisen, die größer oder gleich ungefähr 10 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Vol.-% ist. Bei bestimmten Abwandlungen kann ein polymerer Gelelektrolyt (z.B. ein halbfester Elektrolyt) in einem Festkörperakkumulator so angeordnet sein, dass er die Grenzflächen benetzt und/oder die Hohlräume zwischen den Festkörperelektrolytteilchen und/oder den aktiven Festkörpermaterialteilchen ausfüllt. Polymere Gelelektrolyte weisen jedoch oft keine ausreichende elektrochemische Stabilität auf, um die Anforderungen sowohl an die Anode als auch an die Kathode gleichzeitig zu erfüllen. Als solche kann die elektrochemische Zersetzung des polymeren Gelelektrolyten kontinuierlich an der Anode oder der Kathode oder an beiden auftreten, was zu einem Verlust des Grenzflächenkontakts zwischen den Festkörperelektrolytteilchen und den elektroaktiven Festkörperteilchen führt.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein polymeres Gelelektrolytsystem bereit, das einen ersten, zweiten und dritten polymeren Gelelektrolyt umfasst. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20, wie in 1B veranschaulicht, einen ersten polymeren Gelelektrolyt 182, einen zweiten polymeren Gelelektrolyt 180 und einen dritten polymeren Gelelektrolyt 184 umfassen.
Der erste polymere Gelelektrolyt 182 kann Hohlräume füllen oder Grenzflächen in der negativen Elektrode 22 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 90 benetzen. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% des ersten polymeren Gelelektrolyten 182 umfassen, und die negative Elektrode 22, die den ersten polymeren Gelelektrolyt 182 umfasst, kann eine interpartikuläre Porosität von größer oder gleich ungefähr 0,5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Vol.-% aufweisen. Der erste polymere Gelelektrolyt 182 kann ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein. Der erste polymere Gelelektrolyt 182 kann ein nicht fließfähiger Gelelektrolyt sein und zum Beispiel eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 10.000 Centipoise bei 25 °C aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst der erste polymere Gelelektrolyt 182 einen ersten polymeren Wirt, einen ersten flüssigen Elektrolyt und einen ersten oder anodischen Zusatzstoff. Beispielsweise kann der erste polymere Gelelektrolyt 182 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% des ersten polymeren Wirts, größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-%, des ersten flüssigen Elektrolyten und größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des ersten Zusatzstoffs umfassen. Bei verschiedenen Aspekten ist eine Menge des ersten polymeren Wirts in dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, und die Menge des ersten polymeren Wirts in dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 ist kleiner als die Menge des zweiten polymeren Wirts in dem zweiten polymeren Gelelektrolyt 180. Die Menge des ersten polymeren Wirts in dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 kann identisch mit der Menge des dritten polymeren Wirts in dem dritten polymeren Gelelektrolyt 184 oder davon verschieden sein.
Der erste polymere Wirt kann zum Beispiel Poly(ethylenoxid) (PEO), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon umfassen.
Der erste flüssige Elektrolyt kann ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel umfassen. Das Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithium-bis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) sowie Kombinationen davon umfassen.
Bei bestimmten Aspekten löst das Lösungsmittel das Lithiumsalz auf, um eine gute Leitfähigkeit der Lithiumionen zu ermöglichen, und weist gleichzeitig einen niedrigen Dampfdruck auf (z.B. kleiner ungefähr 10 mmHg bei 25 °C), um dem Herstellungsprozess zu entsprechen. Das Lösungsmittel kann beispielsweise Carbonatlösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (z.B. Triethylenglykoldimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten einschließlich Kationen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]⁺), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₄]⁺), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr₁₂]⁺), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₄]⁺) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorsulfonylimid (FS) und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen.
Der erste oder anodische Zusatzstoff kann so ausgewählt sein, dass er die Bildung einer robusten und dünnen Festkörperelektrolyt-Zwischenphasenschicht (SEI-Schicht) auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen der negativen Elektrode 22 fördert, zum Beispiel auf der Oberfläche der negativen Elektrode 22, die der Elektrolytschicht 26 gegenüberliegt. Bei verschiedenen Aspekten kann der erste Zusatzstoff beispielsweise ungesättigte kohlenstoffgebundene Verbindungen (z.B. Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC) und dergleichen), schwefelhaltige Verbindungen (z.B. Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PyS) und dergleichen), halogenhaltige Verbindungen (z.B. Fluorethylencarbonat (FEC), Chlorethylencarbonat (CI-EC) und dergleichen), mit Methyl substituierte Glykolidderivate, Maleinimidzusatzstoffe (MI-Zusatzstoffe), Zusatzstoffe oder Verbindungen mit elektronenziehenden Gruppen sowie Kombinationen davon umfassen.
Der zweite polymere Gelelektrolyt 180 kann Hohlräume in der Elektrolytschicht 26 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 30 füllen. Beispielsweise kann die Elektrolytschicht 26 größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99 Gew.-% des zweiten polymeren Gelelektrolyten 180 umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen ist der zweite polymere Gelelektrolyt 180 von dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 verschieden.
Der zweite polymere Gelelektrolyt 180 kann eine hohe Leitfähigkeit der Lithiumionen und eine geringe elektronische Leitfähigkeit aufweisen. Wie der erste polymere Gelelektrolyt 182 kann auch der zweite polymere Gelelektrolyt 180 ein nicht fließfähiger Gelelektrolyt sein und z.B. eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 10.000 Centipoise bei 25 °C aufweisen. Der zweite polymere Gelelektrolyt 180 kann eine Zugfestigkeit von größer oder gleich ungefähr 0,1 MPa aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst der zweite polymere Gelelektrolyt 180 einen zweiten polymeren Wirt und einen zweiten flüssigen Elektrolyt. Zum Beispiel kann der zweite polymere Gelelektrolyt 180 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des zweiten polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% des zweiten flüssigen Elektrolyten umfassen. Bei verschiedenen Aspekten ist eine Menge des zweiten polymeren Wirts in dem zweiten polymeren Gelelektrolyt 180 größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, und die Menge des zweiten polymeren Wirts in dem zweiten polymeren Gelelektrolyt 180 kann größer sein als eine Menge des ersten polymeren Wirts in dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 und eine Menge des zweiten polymeren Wirts in dem dritten polymeren Gelelektrolyt 184.
Der zweite polymere Wirt kann zum Beispiel nitrilbasierte feste polymere Elektrolyte (wie Poly(acrylnitril) (PAN) und dergleichen), Polyether (wie Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(ethylenglykol) (PEG) und dergleichen), polyesterbasierte feste Polymere (wie Polyethylencarbonat (PEC), Poly(trimethylencarbonat) (PTMC), Poly(propylencarbonat) (PPC) und dergleichen), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) sowie Kombinationen davon umfassen.
Der zweite flüssige Elektrolyt kann ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel umfassen (z.B. größer 0 mol/l bis kleiner oder gleich ungefähr 3 mol/l). Das Lithiumsalz kann beispielsweise Lithium-bis-Trifluormethansulfonimid (LiTFSI), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumbis(oxalat)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiODFB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) oder Kombinationen davon umfassen. Das Lösungsmittel kann z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Gamma-Butyrolacton (GBL), Tetraethylphosphat (TEP), Fluorethylencarbonat (FEC) sowie Kombinationen davon umfassen.
Der dritte polymere Gelelektrolyt 184 kann Hohlräume in der positiven Elektrode 24 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 füllen. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% des dritten polymeren Gelelektrolyten 184 umfassen, und die positive Elektrode 24, die den dritten polymeren Gelelektrolyt 184 umfasst, kann eine interpartikuläre Porosität von größer oder gleich ungefähr 0,5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Vol.-% aufweisen. Der dritte polymere Gelelektrolyt 184 ist von dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 und dem zweiten polymeren Gelelektrolyt 180 verschieden.
Wie der erste polymere Gelelektrolyt 182 kann auch der dritte polymere Gelelektrolyt 184 ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein. Der dritte polymere Gelelektrolyt 184 kann jedoch auch in Bereichen mit hohem Potential thermodynamisch stabil sein. Wie der erste und der zweite polymere Gelelektrolyt 182, 180 kann auch der dritte polymere Gelelektrolyt 184 ein nicht fließfähiger Gelelektrolyt sein und beispielsweise eine Viskosität von größer oder gleich ungefähr 10.000 Centipoise aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten umfasst der dritte polymere Gelelektrolyt 184 einen dritten polymeren Wirt, einen dritten flüssigen Elektrolyt und einen zweiten oder kathodischen Zusatzstoff. Zum Beispiel kann der dritte polymere Gelelektrolyt 184 größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% des dritten polymeren Wirts, größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-% des dritten flüssigen Elektrolyten und größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des zweiten Zusatzstoffs umfassen. Bei verschiedenen Aspekten ist eine Menge des dritten polymeren Wirts in dem dritten polymeren Gelelektrolyt 184 kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-%, und die Menge des dritten polymeren Gelelektrolyten 184 ist kleiner als die Menge des zweiten polymeren Wirts in dem zweiten polymeren Gelelektrolyt 180. Die Menge des dritten polymeren Wirts in dem dritten polymeren Gelelektrolyt 184 kann identisch mit der Menge des ersten polymeren Wirts in dem ersten polymeren Gelelektrolyt 182 oder davon verschieden sein.
Der dritte polymere Wirt kann mit dem ersten polymeren Wirt identisch oder davon verschieden sein. Der dritte polymere Wirt kann zum Beispiel Poly(ethylenoxid) (PEO), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon umfassen.
Wie der erste flüssige Elektrolyt umfasst auch der dritte flüssige Elektrolyt ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel. Der dritte flüssige Elektrolyt kann mit dem ersten flüssigen Elektrolyt identisch oder davon verschieden sein. Das Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)-borat (LiDFOB), Lithium-bis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) sowie Kombinationen davon umfassen.
Das Lösungsmittel kann beispielsweise Carbonatlösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (z.B. Triethylenglykoldimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten einschließlich Kationen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]⁺), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₄]⁺), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr₁₂]⁺), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₄]⁺) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorsulfonylimid (FS) und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen.
Der zweite oder kathodische Zusatzstoff kann ausgewählt sein, um die positive Elektrode 24 bei hohen Temperaturen (z.B. > 45 °C) zu passivieren und die Metallauflösung zu verringern. Beispielsweise kann der zweite Zusatzstoff vor dem/den Lösungsmittel(n) oxidieren, so dass er eine oder mehrere Oberflächen der Elektrode bedeckt, um die oxidative Zersetzung der Elektrolyte zu begrenzen oder zu verhindern. Bei verschiedenen Aspekten kann der zweite Zusatzstoff beispielsweise borhaltige Verbindungen (wie Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) und dergleichen), siliciumhaltige Verbindungen (wie Tris(trimethylsilyl)phosphat (TMSP), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) und dergleichen), phosphorhaltige Verbindungen (wie Triphenylphosphin (TPP), Ethyldiphenylphosphinit (EDP), Triethylphosphit (TEP) und dergleichen), Verbindungen, die Phenyl-, Thiophenanilin- und/oder Maleinimidgruppen (wie Biphenyl (BP), o-Terphenyl (OT), 2,2'-bis[4-(4 Maleimidophenoxy)phenyl]propan (BMP) und dergleichen) enthalten, Verbindungen, die Anilin-, Anisol-, Adamantyl-, Furan- und/oder Thiophengruppen (wie N,N-Dimethylanilin (DMA)) enthalten, sowie Kombinationen davon umfassen.
Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer anderen elektrochemischen Festkörperzelleneinheit 200, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 2 gezeigt. Wie der Akkumulator 20 umfasst auch der Akkumulator 220 eine negative Elektrode (d.h. Anode) 222, einen ersten bipolaren Stromkollektor 232, der sich an oder benachbart zu einer ersten Seite der negativen Elektrode 222 befindet, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 224, einen zweiten bipolaren Stromkollektor 234, der sich an oder benachbart zu einer ersten Seite der positiven Elektrode 224 befindet, und eine Elektrolytschicht 226, die zwischen einer zweiten Seite der negativen Elektrode 222 und einer zweiten Seite der positiven Elektrode 224 angeordnet ist.
Wie in 2 veranschaulicht ist, kann die negative Elektrode 222 eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 250 umfassen, die mit einer optionalen ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 290 vermischt ist. Die negative Elektrode 222 kann ferner einen ersten polymeren Gelelektrolyt 282 umfassen, der Hohlräume in der negativen Elektrode 222 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 250 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 290 füllt. Wie der oben erörterte erste polymere Gelelektrolyt 180 kann auch der erste polymere Gelelektrolyt 282 ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein, der einen ersten polymeren Wirt, einen ersten flüssigen Elektrolyt und einen ersten oder anodischen Zusatzstoff umfasst.
Die Elektrolytschicht 226 kann eine Trennschicht sein, die die negative Elektrode 222 von der positiven Elektrode 224 physikalisch trennt. Die Elektrolytschicht 226 kann eine freistehende Membran 280 sein, die von einem zweiten polymeren Gelelektrolyt definiert ist. Die freistehende Membran 280 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 1.000 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 2 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 100 µm aufweisen. Ähnlich wie der oben beschriebene zweite polymere Gelelektrolyt 180 kann der zweite polymere Gelelektrolyt 280 ein Elektrolyt mit hoher Leitfähigkeit der Lithiumionen und niedriger elektronischer Leitfähigkeit sein, der einen zweiten polymeren Wirt und einen zweiten flüssigen Elektrolyt umfasst.
Die positive Elektrode 224 kann eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 260 umfassen, die mit einer optionalen zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 292 vermischt ist. Die positive Elektrode 224 kann ferner einen dritten polymeren Gelelektrolyt 284 umfassen, der Hohlräume in der positiven Elektrode 224 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 260 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 292 füllt. Wie der oben erörterte dritte polymere Gelelektrolyt 184 kann auch der dritte polymere Gelelektrolyt 284 ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein, der einen dritten polymeren Wirt, einen dritten flüssigen Elektrolyt und einen zweiten oder kathodischen Zusatzstoff umfasst.
Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer anderen elektrochemischen Festkörperzelleneinheit 300, die Lithiumionen zyklisiert, ist in 3 gezeigt. Wie der Akkumulator 20 und/oder der Akkumulator 220 umfasst auch der Akkumulator 300 eine negative Elektrode (d.h. Anode) 322, einen ersten bipolaren Stromkollektor 332, der sich an oder benachbart zu einer ersten Seite der negativen Elektrode 322 befindet, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 324, einen zweiten bipolaren Stromkollektor 334, der sich an oder benachbart zu einer ersten Seite der positiven Elektrode 324 befindet, und eine Elektrolytschicht 326, die zwischen einer zweiten Seite der negativen Elektrode 322 und einer zweiten Seite der positiven Elektrode 324 angeordnet ist.
Wie in 3 veranschaulicht ist, kann die negative Elektrode 322 eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 350 umfassen, die mit einer optionalen ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 390 vermischt ist. Die negative Elektrode 322 kann ferner einen ersten polymeren Gelelektrolyt 382 umfassen, der Hohlräume in der negativen Elektrode 322 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 350 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 390 füllt. Wie der oben erörterte erste polymere Gelelektrolyt 180 kann auch der erste polymere Gelelektrolyt 382 ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein, der einen ersten polymeren Wirt, einen ersten flüssigen Elektrolyt und einen ersten oder anodischen Zusatzstoff umfasst.
Die Elektrolytschicht 326 kann eine Trennschicht sein, die die negative Elektrode 322 von der positiven Elektrode 324 physikalisch trennt. Ähnlich wie bei der Elektrolytschicht 26 kann die Elektrolytschicht 326 durch eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 330 definiert sein und ein zweiter polymerer Gelelektrolyt 380 kann Hohlräume im Elektrolyt 326 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 330 füllen. Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann bei anderen Abwandlungen ähnlich wie bei der Elektrolytschicht 226 die Elektrolytschicht 326 eine freistehende Membran sein, die durch den zweiten polymeren Gelelektrolyt 380 definiert ist. Ähnlich wie der oben beschriebene zweite polymere Gelelektrolyt 180 kann der zweite polymere Gelelektrolyt 380 ein Elektrolyt mit hoher Leitfähigkeit der Lithiumionen und niedriger elektronischer Leitfähigkeit sein, der einen zweiten polymeren Wirt und einen zweiten flüssigen Elektrolyt umfasst. Beispielsweise kann die Elektrolytschicht 326 größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des zweiten polymeren Wirts, größer oder gleich ungefähr 0,01 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des zweiten flüssigen Elektrolyten und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen 330 umfassen.
Die positive Elektrode 324 kann eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 360 umfassen, die mit einer optionalen dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 392 vermischt ist. Die positive Elektrode 324 kann ferner einen dritten polymeren Gelelektrolyt 384 umfassen, der Hohlräume in der positiven Elektrode 324 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 360 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 392 füllt. Wie der oben erörterte dritte polymere Gelelektrolyt 184 kann auch der dritte polymere Gelelektrolyt 384 ein weicher und hochelastischer Gelelektrolyt sein, der einen dritten polymeren Wirt, einen dritten flüssigen Elektrolyt und einen zweiten oder kathodischen Zusatzstoff umfasst.
Wie in 3 veranschaulicht, umfasst der Akkumulator 320 ferner eine oder mehrere Polymerbarrieren 370A, 370B. Die eine oder die mehreren Polymerbarrieren 370A, 370B können an oder benachbart zu einer Grenze einer Zelleinheit angeordnet sein, um einen potenziellen ionischen Kurzschluss zu begrenzen. Wie veranschaulicht, können beispielsweise die eine oder die mehreren an oder benachbart zu der Grenze einer Zelleinheit angeordneten Polymerbarrieren 370A, 370B einen oder mehrere Stromkollektoren 332, 334 kontaktieren oder verbinden, um die Zelleinheit vollständig abzudichten. Auch wenn 3 ein Polymerbarrierenpaar 370A, 370B veranschaulicht, das an den jeweiligen Enden der Zelle angeordnet ist, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass bei einigen Aspekten eine Polymerbarriere nur an einem Ende einer bestimmten Zelle angebracht sein kann, dass sie in einer bestimmten Zelle fehlen kann oder dass sie in dem Akkumulator überhaupt nicht vorhanden sein kann.
Der eine oder die mehreren Polymerbarrieren 370A, 370B können ein ionisches und elektronisches Isoliermaterial umfassen. Das ionische und/oder elektronische Isoliermaterial kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass es eine starke Adhäsionskraft aufweist (z.B. größer oder gleich ungefähr 0,01 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 1.000 MPa und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 40 MPa). Das ionische und/oder elektronische Isoliermaterial kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass es eine ausgezeichnete Thermostabilität aufweist (z.B. eine Stabilität bei größer oder gleich ungefähr 40 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 200 °C und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 45 °C bis kleiner oder gleich ungefähr 150 °C). Zum Beispiel können eine oder mehrere der Polymerbarrieren 370A, 370B wenigstens einen Schmelzklebstoff (wie Urethanharz, Polyamidharz, Polyolefinharz), ein Polyethylenharz, ein Polypropylenharz, ein Harz, das ein amorphes Polypropylenharz als Hauptkomponente enthält und beispielsweise durch Copolymerisation von Ethylen, Propylen und Butylen gewonnen wird, Silikon, ein Polyimidharz, ein Epoxidharz, ein Acrylharz, einen Kautschuk (wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)), einen Isocyanatklebstoff, einen Acrylharzklebstoff und einen Cyanoacrylatklebstoff umfassen. Bei verschiedenen Aspekten können die eine oder die mehreren Polymerbarrieren 370A, 370B eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 2 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Herstellen eines Akkumulators mit einem Gelelektrolytsystem vor, wie z.B. des in 1B veranschaulichten Akkumulators 20, des in 2 veranschaulichten Akkumulators 200 und/oder des in 3 veranschaulichten Akkumulators 300. Beispielsweise ist bei der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer ersten Elektrode denkbar, wobei das Verfahren im Allgemeinen das In-Kontakt-Bringen einer ersten Vorläuferflüssigkeit mit einem ersten oder negativen Elektrodenvorläufer in Form einer ersten oder negativen elektroaktiven Materialschicht und das parallele oder gleichzeitige In-Kontakt-Bringen einer zweiten Vorläuferflüssigkeit mit einem zweiten oder positiven Elektrodenvorläufer in Form einer zweiten oder positiven elektroaktiven Materialschicht umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Trocknen der ersten Vorläuferflüssigkeit, um eine gelgestützte erste oder negative Elektrode zu bilden, die einen ersten polymeren Gelelektrolyt umfasst, und das parallele oder gleichzeitige Trocknen der zweiten Vorläuferflüssigkeit, um eine gelgestützte zweite oder positive Elektrode zu bilden, die einen zweiten polymeren Gelelektrolyt umfasst. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Verfahren ferner das parallel oder gleichzeitig mit dem ersten und/oder zweiten Kontakt erfolgende In-Kontakt-Bringen einer dritten Vorläuferflüssigkeit mit einer Vorläuferelektrolytschicht umfassen, die eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfasst, sowie das Trocknen der dritten Vorläuferflüssigkeit, um eine gelgestützte Elektrolytschicht zu bilden, die einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfasst. Bei anderen Abwandlungen kann das Verfahren ferner das parallel oder gleichzeitig mit dem ersten und/oder zweiten Kontakt erfolgende Bilden einer freistehenden Membran umfassen, die durch ein polymeres Gel definiert ist. In jedem Fall umfasst das Verfahren, dass die erste oder negative Elektrolytschicht, die zweite oder positive Elektrolytschicht und die gelgestützte Elektrolytschicht und/oder die freistehende Membran, die durch das polymere Gel definiert ist, im Wesentlichen ausgerichtet und/oder gestapelt werden. Obwohl in der vorstehenden Erörterung eine einzelne negative Elektrode, eine einzelne positive Elektrode und eine einzelne Elektrolytschicht beschrieben sind, wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Auslegungen anwendbar ist, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Anoden, einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Elektrolytschichten, sowie verschiedener Stromkollektoren und Stromkollektorfolien mit elektroaktiven Teilchenschichten, die auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet oder darin eingebettet sind.
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren 400 zum Herstellen eines Akkumulators mit einem Gelelektrolytsystem, wie der in 1B veranschaulichte Akkumulator 20.
Das Verfahren 400 kann das Herstellen 410 einer ersten gelgestützten Elektrode umfassen. Das Herstellen 410 der ersten gelgestützten Elektrode kann das In-Kontakt-Bringen 412 einer ersten Vorläuferflüssigkeit und einer ersten Vorläuferelektrode umfassen. Die erste Vorläuferelektrode kann eine erste elektroaktive Materialschicht umfassen, die auf oder benachbart zu einer ersten Oberfläche eines ersten bipolaren Stromkollektors angeordnet ist. Die erste elektroaktive Materialschicht kann eine erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (z.B. negativen elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen) und optional eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen.
Die erste Vorläuferflüssigkeit kann einen ersten Gelvorläufer und einen ersten flüssigen Elektrolyt umfassen. Der erste Gelvorläufer kann beispielsweise einen ersten polymeren Wirt und einen ersten oder anodischen Zusatzstoff umfassen.
Der erste flüssige Elektrolyt kann ein erstes Lithiumsalz und ein erstes Elektrolytlösungsmittel umfassen. Die erste Vorläuferflüssigkeit kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% des ersten polymeren Wirts, größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-%, des ersten flüssigen Elektrolyten und größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des ersten Zusatzstoffs umfassen. Die erste Vorläuferflüssigkeit umfasst außerdem größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% eines ersten verdünnten Lösungsm ittels.
Der erste polymere Wirt kann zum Beispiel Poly(ethylenoxid) (PEO), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann der erste Gelvorläufer als nicht einschränkendes Beispiel Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Gelvorläufer ungefähr 2,5 Gew.-% Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) umfassen.
Der erste oder anodische Zusatzstoff kann beispielsweise ungesättigte kohlenstoffgebundene Verbindungen (z.B. Vinylencarbonat (VC), Vinylethylencarbonat (VEC) und dergleichen), schwefelhaltige Verbindungen (z.B. Ethylensulfit (ES), Propylensulfit (PyS) und dergleichen), halogenhaltige Verbindungen (z.B. Fluorethylencarbonat (FEC), Chlorethylencarbonat (CI-EC) und dergleichen), mit Methyl substituierte Glykolidderivate, Maleinimidzusatzstoffe (MI-Zusatzstoffe), Zusatzstoffe oder Verbindungen mit elektronenziehenden Gruppen sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Gelvorläufer bei bestimmten Abwandlungen Vinylethylencarbonat (VEC) umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Gelvorläufer ungefähr 2,5 Gew.-% Vinylethylencarbonat (VEC) umfassen.
Das erste Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithium-bis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die erste Vorläuferflüssigkeit bei bestimmten Abwandlungen 0,4 M Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) und 0,4 M Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄) umfassen.
Bei bestimmten Aspekten löst das erste Elektrolytlösungsmittel das erste Lithiumsalz auf, um eine gute Leitfähigkeit der Lithiumionen zu ermöglichen, und weist gleichzeitig einen niedrigen Dampfdruck auf (z.B. kleiner ungefähr 10 mmHg bei 25 °C), um dem Herstellungsprozess zu entsprechen. Das erste Elektrolytlösungsmittel kann beispielsweise Carbonatlösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (z.B. Triethylenglykoldimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten einschließlich Kationen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]⁺), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₄]⁺), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr₁₂]⁺), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₄]⁺) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorsulfonylimid (FS) und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die erste Vorläuferflüssigkeit als nicht einschränkendes Beispiel Ethylencarbonat (EC) und Gamma-Butyrolacton (GBL) mit einem Volumenverhältnis von 1:1 umfassen.
Das erste verdünnte Lösungsmittel kann z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Ethylacetat, Acetonitril, Aceton, Toluol, Diethylcarbonat, 1,2,2-Tetrafluorethyl, 2,2,3,3-Tetrafluorpropylether sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Gelvorläufer Dimethylcarbonat (DMC) umfassen.
Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann das Verfahren 400 bei bestimmten Abwandlungen das Herstellen der ersten Vorläuferflüssigkeit umfassen. Die erste Vorläuferflüssigkeit kann durch Zugabe des ersten Gelvorläufers zum ersten flüssigen Elektrolyt hergestellt werden. Bei bestimmten Abwandlungen können dem ersten flüssigen Elektrolyt beispielsweise ungefähr 2,5 Gew.-% Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) und ungefähr 2,5 Gew.-% Vinylethylencarbonat (VEC) zugegeben werden, um die erste Vorläuferflüssigkeit zu bilden (nicht einschränkendes Beispiel). In ähnlicher Weise kann das Verfahren 400 bei bestimmten Abwandlungen das Herstellen der ersten Vorläuferelektrode umfassen. Die erste Vorläuferelektrode kann hergestellt werden, indem die erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und eine optionale erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen des ersten bipolaren Stromkollektors angeordnet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann, wie veranschaulicht, das Herstellen 410 der ersten gelgestützten Elektrode ferner das Entfernen 414 des ersten verdünnten Lösungsmittels (z.B. Dimethylcarbonat (DMC)) umfassen, um die erste gelgestützte Elektrode, die den ersten polymeren Gelelektrolyt umfasst, zu bilden. Das erste verdünnte Lösungsmittel kann durch Erhitzen oder Verdampfen des Lösungsmittels mit niedrigem Siedepunkt (z.B. Dimethylcarbonat (DMC)) entfernt 414 werden.
Das Verfahren 400 kann das parallele oder gleichzeitige Herstellen 420 einer zweiten gelgestützten Elektrode umfassen. Das Herstellen 420 der zweiten gelgestützten Elektrode kann das In-Kontakt-Bringen 422 einer zweiten Vorläuferflüssigkeit und einer zweiten Vorläuferelektrode umfassen. Die zweite Vorläuferelektrode kann eine zweite elektroaktive Materialschicht umfassen, die auf oder benachbart zu einer ersten Oberfläche eines zweiten bipolaren Stromkollektors angeordnet ist. Die zweite elektroaktive Materialschicht kann eine zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen (z.B. positive elektroaktive Festkörpermaterialteilchen) und optional eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen.
Die zweite Vorläuferflüssigkeit kann einen zweiten Gelvorläufer und einen zweiten flüssigen Elektrolyt umfassen. Der zweite Gelvorläufer kann beispielsweise einen zweiten polymeren Wirt und einen zweiten oder kathodischen Zusatzstoff umfassen. Der zweite flüssige Elektrolyt kann ein zweites Lithiumsalz und ein zweites Elektrolytlösungsmittel umfassen. Die zweite Vorläuferflüssigkeit kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-%, optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% des zweiten polymeren Wirts, größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 70 Gew.-%, des zweiten flüssigen Elektrolyten und größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 15 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des zweiten Zusatzstoffs umfassen. Die zweite Vorläuferflüssigkeit umfasst außerdem größer oder gleich ungefähr 20 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% eines zweiten verdünnten Lösungsmittels.
Der zweite polymere Wirt kann mit dem ersten polymeren Wirt identisch oder davon verschieden sein. Der zweite polymere Wirt kann zum Beispiel Poly(ethylenoxid) (PEO), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Lithiumpolyacrylat (LiPAA) sowie Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann der zweite Gelvorläufer als nicht einschränkendes Beispiel Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der zweite Gelvorläufer ungefähr 2,5 Gew.-% Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-- HFP) umfassen.
Der zweite oder kathodische Zusatzstoff kann beispielsweise borhaltige Verbindungen (wie Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) und dergleichen), siliciumhaltige Verbindungen (wie Tris(trimethylsilyl)phosphat (TMSP), Tris(trimethylsilyl)borat (TMSB) und dergleichen), phosphorhaltige Verbindungen (wie Triphenylphosphin (TPP), Ethyldiphenylphosphinit (EDP), Triethylphosphit (TEP) und dergleichen), Verbindungen, die Phenyl-, Thiophenanilin- und/oder Maleinimidgruppen (wie Biphenyl (BP), o-Terphenyl (OT), 2,2'-bis[4-(4 Maleimidophenoxy)phenyl]propan (BMP) und dergleichen) enthalten, Verbindungen, die Anilin-, Anisol-, Adamantyl-, Furan- und/oder Thiophengruppen (wie N,N-Dimethylanilin (DMA)) enthalten, sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der zweite Gelvorläufer ungefähr 2,5 Gew.-% Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) umfassen.
Der zweite flüssige Elektrolyt kann mit dem ersten flüssigen Elektrolyt identisch oder davon verschieden sein. Das zweite Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1 -bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithium-bis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithium-bis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die zweite Vorläuferflüssigkeit bei bestimmten Abwandlungen 0,4 M Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) und 0,4 M Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄) umfassen.
Bei bestimmten Aspekten löst das zweite Elektrolytlösungsmittel das zweite Lithiumsalz auf, um eine gute Leitfähigkeit der Lithiumionen zu ermöglichen, und weist gleichzeitig einen niedrigen Dampfdruck auf (z.B. kleiner ungefähr 10 mmHg bei 25 °C), um dem Herstellungsprozess zu entsprechen. Das zweite Elektrolytlösungsmittel kann beispielsweise Carbonatlösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1 ,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (z.B. Triethylenglykoldimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten einschließlich Kationen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]⁺), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₄]⁺), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr₁₂]⁺), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₄]⁺) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorsulfonylimid (FS) und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die zweite Vorläuferflüssigkeit als nicht einschränkendes Beispiel Ethylencarbonat (EC) und Gamma-Butyrolacton (GBL) mit einem Volumenverhältnis von 1:1 umfassen.
Das zweite verdünnte Lösungsmittel kann mit dem ersten verdünnten Lösungsmittel identisch oder davon verschieden sein. Das zweite verdünnte Lösungsmittel kann z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Ethylacetat, Acetonitril, Aceton, Toluol, Diethylcarbonat, 1 ,2,2-Tetrafluorethyl, 2,2,3,3-Tetrafluorpropylether sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der zweite Gelvorläufer Dimethylcarbonat (DMC) umfassen.
Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann das Verfahren 400 bei bestimmten Abwandlungen das Herstellen der zweiten Vorläuferflüssigkeit umfassen. Die zweite Vorläuferflüssigkeit kann durch Zugabe des zweiten Gelvorläufers zum zweiten flüssigen Elektrolyt hergestellt werden. Bei bestimmten Abwandlungen können dem zweiten flüssigen Elektrolyt beispielsweise ungefähr 2,5 Gew.-% Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVdF-HFP) und ungefähr 2,5 Gew.-% Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) zugegeben werden, um die zweite Vorläuferflüssigkeit zu bilden (nicht einschränkendes Beispiel). In ähnlicher Weise kann das Verfahren 400 bei bestimmten Abwandlungen das Herstellen der zweiten Vorläuferelektrode umfassen. Die zweite Vorläuferelektrode kann hergestellt werden, indem die zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und eine optionale zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen auf oder benachbart zu einer oder mehreren Oberflächen des ersten bipolaren Stromkollektors angeordnet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann, wie veranschaulicht, das Herstellen 420 der zweiten gelgestützten Elektrode ferner das Entfernen 424 des zweiten verdünnten Lösungsmittels (z.B. Dimethylcarbonat (DMC)) umfassen, um die zweite gelgestützte Elektrode, die den zweiten polymeren Gelelektrolyt umfasst, zu bilden. Das zweite verdünnte Lösungsmittel kann durch Erhitzen oder Verdampfen des Lösungsmittels mit niedrigem Siedepunkt (z.B. Dimethylcarbonat (DMC)) entfernt 424 werden.
Das Verfahren 400 kann das parallele oder gleichzeitige Herstellen 430 einer gelgestützten Elektrolytschicht umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Herstellen 430 der gelgestützten Elektrolytschicht das In-Kontakt-Bringen 432 einer dritten Vorläuferflüssigkeit und einer optionalen dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen. Das In-Kontakt-Bringen 432 der dritten Vorläuferflüssigkeit und der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen kann beispielsweise das Mahlen der dritten Vorläuferflüssigkeit und der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen.
Die dritte Vorläuferflüssigkeit kann einen dritten Gelvorläufer und einen dritten flüssigen Elektrolyt umfassen. Der dritte Gelvorläufer kann zum Beispiel einen polymeren Wirt umfassen. Der dritte flüssige Elektrolyt kann ein drittes Lithiumsalz und ein drittes Elektrolytlösungsmittel umfassen. Die dritte Vorläuferflüssigkeit kann größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% des dritten polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% des dritten flüssigen Elektrolyten umfassen.
Der dritte polymere Wirt kann zum Beispiel nitrilbasierte feste polymere Elektrolyte (wie Poly(acrylnitril) (PAN) und dergleichen), Polyether (wie Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(ethylenglykol) (PEG) und dergleichen), polyesterbasierte feste Polymere (wie Polyethylencarbonat (PEC), Poly(trimethylencarbonat) (PTMC), Poly-(propylencarbonat) (PPC) und dergleichen), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der dritte Gelvorläufer bei bestimmten Abwandlungen Poly(acrylnitril) (PAN) umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der dritte Gelvorläufer ungefähr 16,7 Gew-% Poly(acrylnitril) (PAN) umfassen.
Der dritte flüssige Elektrolyt kann mit dem ersten und/oder dem zweiten flüssigen Elektrolyt identisch oder davon verschieden sein. Der dritte flüssige Elektrolyt kann eine Konzentration von größer 0 mol/l bis kleiner oder gleich ungefähr 3 mol/l aufweisen. Das dritte Lithiumsalz kann zum Beispiel Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithium-bis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithium-bis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithium-bis(oxalato)-borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithium-bis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO₂F₂), Lithiumfluorid (LiF) sowie Kombinationen davon umfassen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die dritte Vorläuferflüssigkeit bei bestimmten Abwandlungen 0,4 M Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) und 0,4 M Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄) umfassen.
Das dritte Elektrolytlösungsmittel sollte das dritte Lithiumsalz auflösen, um eine gute Leitfähigkeit der Lithiumionen zu ermöglichen, und weist gleichzeitig einen niedrigen Dampfdruck auf (z.B. kleiner ungefähr 10 mmHg bei 25 °C), um dem Herstellungsprozess zu entsprechen. Das dritte Lösungsmittel kann beispielsweise Carbonatlösungsmittel (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerincarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (z.B. y-Butyrolacton, δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (z.B. Triethylenglykoldimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten einschließlich Kationen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]⁺), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP₁₄]+), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr₁₂]⁺), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₃]⁺), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr₁₄]⁺) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (z.B. Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorsulfonylimid (FS) und dergleichen) sowie Kombinationen davon umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die dritte Vorläuferflüssigkeit als nicht einschränkendes Beispiel Ethylencarbonat (EC) und Gamma-Butyrolacton (GBL) mit einem Volumenverhältnis von 1:1 umfassen.
Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, kann das Verfahren 400 bei bestimmten Abwandlungen das Herstellen der dritten Vorläuferflüssigkeit umfassen. Die dritte Vorläuferflüssigkeit kann durch Zugabe des dritten Gelvorläufers zum dritten flüssigen Elektrolyt hergestellt werden. Bei bestimmten Abwandlungen können dem dritten flüssigen Elektrolyt beispielsweise ungefähr 16,7 Gew.-% Poly(acrylnitril) (PAN) zugegeben werden, um die dritte Vorläuferflüssigkeit zu bilden (nicht einschränkendes Beispiel).
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann das Herstellen 430 der gelgestützten Elektrolytschicht, wie veranschaulicht, ferner das Gießen der Gelvorläuferlösung umfassen, um die gelgestützte Elektrolytschicht zu bilden. Zum Beispiel kann das Herstellen 430 der gelgestützten Elektrolytschicht das Heißgießen der dritten Vorläuferflüssigkeit und das Abkühlenlassen der heißgegossenen dritten Vorläuferflüssigkeit umfassen, um die gelgestützte Elektrolytschicht zu bilden, die einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfasst.
Das Verfahren 400 umfasst ferner das Zusammenbauen 440 des Akkumulators. Das Zusammenbauen 440 des Akkumulators kann umfassen, dass eine oder mehrere der ersten gelgestützten Elektroden, eine oder mehrere der zweiten gelgestützten Elektroden und eine oder mehrere der gelgestützten Elektrolytschichten im Wesentlichen ausgerichtet und/oder gestapelt werden, um eine oder mehrere Zelleneinheiten zu bilden, die den Akkumulator definieren.
Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
Eine beispielhafte Akkumulatorzelle kann gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Die beispielhafte Akkumulatorzelle kann ein Tri-Gel-Elektrolytsystem umfassen. Zum Beispiel kann die beispielhafte Akkumulatorzelle eine erste oder negative Elektrode, die eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörpermaterialteilchen umfasst, und optional eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die auf oder benachbart zu einer ersten Oberfläche eines ersten bipolaren Stromkollektors angeordnet sind, umfassen. Die beispielhafte Akkumulatorzelle kann ferner eine zweite oder positive Elektrode parallel zur negativen Elektrode umfassen. Die positive Elektrode kann eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörpermaterialteilchen und optional eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die auf oder benachbart zu einer ersten Oberfläche eines zweiten bipolaren Stromkollektors angeordnet sind. Die beispielhafte Akkumulatorzelle kann ferner eine Festkörperelektrolytschicht umfassen, die zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet ist und diese physikalisch trennt. Insbesondere kann die Festkörperelektrolytschicht die Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörpermaterialteilchen (und die optionale erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen) und die Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörpermaterialteilchen (und die optionale zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen) trennen. Die negative Elektrode kann gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen ersten polymeren Gelelektrolyt umfassen, die positive Elektrode kann einen zweiten polymeren Gelelektrolyt umfassen, und die Festkörperelektrolytschicht kann einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfassen oder durch diesen definiert sein.
5A zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Zyklisierungsleistung der beispielhaften Akkumulatorzelle 520, die das Tri-Gel-Elektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst, und einer vergleichbaren Akkumulatorzelle 540 mit derselben Auslegung, aber mit einem einzelnen Gelelektrolyt zeigt. Die x-Achse 500 stellt die Zykluszahl dar. Die y-Achse 502 stellt die Ladungshaltung (%) dar. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Akkumulatorzelle 520 eine verbesserte Langzeitleistung auf.
5B zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Zellenentladung der beispielhaften Akkumulatorzelle 520, die das Tri-Gel-Elektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst, und der vergleichbaren Akkumulatorzelle 540 mit derselben Auslegung, aber mit einem einzelnen Gelelektrolyt zeigt. Die x-Achse 504 stellt die Ladungshaltung (%) dar. Die y-Achse 506 stellt die Spannung (V) dar. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Akkumulatorzelle 520 eine verbesserte Langzeitleistung auf.
5C zeigt eine grafische Veranschaulichung, die eine bei 25 °C stattfindende Geschwindigkeitsprüfung der beispielhaften Akkumulatorzelle 520, die das Tri-Gel-Elektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst, und der vergleichbaren Akkumulatorzelle 540 mit derselben Auslegung, aber mit einem einzelnen Gelelektrolyt zeigt. Die x-Achse 508 stellt die Zykluszahl dar. Die y-Achse 510 stellt die Ladungshaltung (%) dar. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Akkumulatorzelle 520 eine verbesserte Langzeitleistung auf.
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

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine erste Elektrode, die eine erste Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen ersten polymeren Gelelektrolyt umfasst, eine zweite Elektrode, die eine zweite Vielzahl von elektroaktiven Festkörpermaterialteilchen und einen zweiten polymeren Gelelektrolyt umfasst, der von dem ersten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist, und eine Elektrolytschicht, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die Elektrolytschicht einen dritten polymeren Gelelektrolyt umfasst, der sowohl von dem ersten polymeren Gelelektrolyt als auch von dem zweiten polymeren Gelelektrolyt verschieden ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der erste polymere Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines ersten Zusatzstoffs umfasst, und der zweite polymere Gelelektrolyt größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% eines zweiten Zusatzstoffs umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der erste Zusatzstoff eine Verbindung mit einer ungesättigten Kohlenstoffbindung, eine schwefelhaltige Verbindung, eine halogenhaltige Verbindung, ein mit Methyl substituiertes Glycolidderivat, ein Maleimid (MI), eine Verbindung mit einer elektronenziehenden Gruppe sowie Kombinationen davon umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der zweite Zusatzstoff eine borhaltige Verbindung, eine siliciumhaltige Verbindung, eine phosphorhaltige Verbindung, eine Verbindung, die eine Phenylgruppe, eine Thiophenanilingruppe, eine Maleimidgruppe, eine Anilingruppe, eine Anisolgruppe, eine Adamantylgruppe, eine Furangruppe und/oder eine Thiophengruppe enthält, sowie Kombinationen davon umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt ferner jeweils größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines polymeren Wirts umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der erste polymere Gelelektrolyt und der zweite polymere Gelelektrolyt ferner jeweils größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines flüssigen Elektrolyten umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der dritte polymere Gelelektrolyt größer oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% eines polymeren Wirts und größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 90 Gew.-% eines flüssigen Elektrolyten umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytschicht eine freistehende Membran ist, die durch den dritten polymeren Gelelektrolyt definiert ist, wobei die freistehende Membran eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 1.000 µm aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, wobei die Elektrolytschicht ferner größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 80 Gew.-% einer Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle ferner umfasst: einen ersten bipolaren Stromkollektor, der auf oder benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche der ersten Elektrode und parallel zu der Elektrolytschicht angeordnet ist, einen zweiten bipolaren Stromkollektor, der auf oder benachbart zu einer freiliegenden Oberfläche der zweiten Elektrode und parallel zu der Elektrolytschicht angeordnet ist, und eine oder mehrere Polymerbarrieren, die mit dem ersten bipolaren Stromkollektor und dem zweiten bipolaren Stromkollektor gekoppelt sind und sich zwischen diesen erstrecken.