DE102022106263A1

DE102022106263A1 - Gestapelte Lithium-Ionen-Batterie mit Hybridanode

Info

Publication number: DE102022106263A1
Application number: DE102022106263.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Jansen; Stephan Leonhard Koch; Miriam Kunze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Lithium-Ionen-Batteriestapel 300 umfassend eine Stapelanode 220 aufweisend eine Separatorlage 230; und einen Stromkollektor 250, wobei der Stromkollektor 250 einen nichtmetallischen Kern 255 aufweist. Hierdurch ergeben sich ökologische und verfahrenstechnische Vorteile.

Description

Die Erfindung betrifft eine gestapelte Lithium-Ionen-Batterie mit Hybridanode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen, als auch deren Verwendung.
Wiederaufladbare elektrochemische Speichersysteme werden für viele Bereiche des täglichen Lebens immer wichtiger. Energiespeichervorrichtungen hoher Kapazität, wie beispielsweise Lithium-lonen(Li-lonen)-Batterien und Kondensatoren, werden in einer steigenden Anzahl von Anwendungen eingesetzt, einschließlich tragbarer Elektronik, Medizin, Transport, netzgekoppelte große Energiespeicher, Speicherung erneuerbarer Energien und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Bei jeder dieser Anwendungen stellen die Lade-/Entladezeit und die Kapazität von Energiespeichervorrichtungen die entscheidenden Parameter dar. Darüber hinaus sind auch Größe, Gewicht und/oder Kosten solcher Energiespeichervorrichtungen wichtige Parameter. Außerdem ist ein niedriger Innenwiderstand für eine hohe Leistung erforderlich. Je geringer der Widerstand ist, desto geringer sind die Einschränkungen, denen die Energiespeichervorrichtung bei der Abgabe elektrischer Energie ausgesetzt ist. Beispielsweise wirkt sich der Innenwiderstand im Fall eines Akkus auf die Leistung aus, indem er die Gesamtmenge der Nutzenergie, die vom Akku gespeichert wird, sowie die Fähigkeit des Akkus, hohen Strom zu liefern, reduziert. Ferner sollen Li-Ionen-Akkus die angestrebte Kapazität und die gewünschte Zyklisierung am besten erreichen. Allerdings fehlen den Li-Ionen-Akkus in ihrer jetzigen Form oft die Energiekapazität und die Anzahl der Lade-/Entladezyklen für diese wachsenden Anwendungen.
Wie obigen bereits beschrieben sind Lithium-Ionen-Batterien heutzutage weit verbreitet. In der Unterhaltungselektronik werden sie beispielsweise in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen und Smartphones, Laptops und Tablets usw. verwendet. Darüber hinaus sind Lithium-Ionen-Batterien ein wichtiger Bestandteil von Elektrofahrzeugen, da elektrische Batterien in Elektroautos und Hybridfahrzeugen verwendet werden und damit Bestandteil der Massenproduktion geworden sind. Neben den oben beschriebenen Leistungsanforderungen treten daher zunehmend auch Anforderungen im Hinblick auf ökologische Aspekte in den Vordergrund. So ist die Zellproduktion von Feststoffzellen sehr komplex und zeichnet sich im Bereich Zellbau durch eine Vielzahl von präzisen Assemblierungsschritten aus.
Die Dokumente US 2017/0365854 A1 , WO 2020/019392 A1 und CN 112736277 A beschreiben Feststoffelektrolyt-Akkumulatoren.
Durch die komplexe Produktion erhöht sich der Ausschuss stark, auch im Hinblick auf die Sicherheit der hergestellten Batterie, sodass eine Vereinfachung des Produktes zu einer effizienteren und ökologischeren Produktion führt. Darüber hinaus ist der derzeitig eingesetzte Sinterprozess zur Herstellung von Separatoren sehr langsam und kostspielig. Die Prozessroute des hier vorgestellten Produktes ist wesentlich schneller und hochwertiger hinsichtlich der Oberflächenqualität. Des Weiteren ermöglicht diese Prozessroute die Herstellung von hybriden Anoden die wickelbar und somit leichter handelbar sind.
Dementsprechend besteht ferner ein Bedarf an schnell ladenden, leistungsfähigen und ökologischen Energiespeichervorrichtungen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Lithium-Ionen-Batteriestapel umfassend eine Stapelanode aufweisend:

eine Separatorlage; und
einen Stromkollektor, der einen nichtmetallischen Kern aufweist.

Diese hybride Anode zeichnet sich weiter dadurch aus, dass sie aufgrund der Komposition sowie insbesondere der geringen Schichtdicke des Separators eine geringe Steifigkeit bzw. hohe Flexibilität aufweist und daher sehr gut wickelfähig ist. Der grundsätzliche Aufbau ist gekennzeichnet durch einen hybridem Stromkollektor, der aus einem metallischen Material mit nichtmetallischem Kern oder aus einer metallisierten Kunststofffolie besteht. Wird ein hybrider Stromkollektor eingesetzt, kann die spezifische Energiedichte der Zelle erhöht und auftretende mechanische Spannungen kompensiert werden. Des Weiteren kann die Flexibilität weiter gesteigert werden.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, wobei der nichtmetallische Kern aus einem Kunststoffmaterial oder einem Kohlenstoffmaterial besteht.
In bevorzugter Ausführung kann der nichtmetallische Kern aus einem faserförmigen Material, wie etwas einem Fließ, bestehen.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, wobei die Stapelanode ferner wenigstens eine metallische Schicht zwischen der Separatorlage und dem Stromkollektor aufweist.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, wobei metallische Schichten beidseitig auf dem Stromkollektor ausgebildet sind.
Der Stromkollektor kann also auf beiden Seiten auch weitere metallischen Schichten aufweisen (Realisierung durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)). Auf beiden Seiten der Anode ist eine dünne Feststoffelektrolyt-/Separator-Lage vorgesehen. Diese Schichten können ebenfalls durch PVD-Prozesse realisiert werden wie beispielsweise das Magnetron Sputtern oder das High Power Impuls Magnetron Sputtern oder Aerosolbeschichtung.
Der Vorteil dieser Schichten liegt darin begründet, dass sie biegefähig sind und nicht mehr gesintert werden müssen und somit im Verbund hergestellt werden können.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, wobei die Separatorlage eine Dicke von 0,1 bis 15 µm aufweist.
Darüber hinaus wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, der ferner einen Kathodenstapel umfasst.
Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Lithium-Ionen-Batteriestapel beschrieben, der ferner einen Kathodenstapel umfasst mit:

einer Separatorlage; und
einem Stromkollektor, wobei der Stromkollektor einen nichtmetallischen Kern aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Batteriestapels beschrieben, umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Separatorlage; und
Bereitstellen eines Stromkollektors.

Ferner wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren beschrieben, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Bereitstellen einer metallischen Schicht zwischen der Separatorlage und dem Stromkollektor.
Des Weiteren wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren beschrieben, wobei die metallische Schicht mittels eines CVD-Prozesses, chemischer Dampfabscheidung, oder PVD-Prozesses, also physikalischer Dampfabscheidung, erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung des Lithium-Ionen-Batteriestapels gemäß einem der nachfolgenden Ansprüche beschrieben, wobei die Verwendung einen Ladevorgang umfasst, wobei eine Lithiumschicht auf dem Stromkollektor gebildet wird.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet Flexibilität des Systems durch die flexible Feststoffelektrolyt-Lage beziehungsweise die Separatorlage. Diese ist flexibel aufgrund der Konstitution und des Herstellungsverfahrens. Der Kern des Hybridkollektors kann dabei mechanische Spannungen kompensieren. Dies ermöglicht die Herstellung von zylindrischen Feststoffzellen. Vorteilhaft ist ferner, dass kein zusätzlicher Sinterprozess bei der Herstellung notwendig ist.
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist eine Art wiederaufladbare Batterie, in der Lithium enthalten ist. Ionen wandern beim Entladen von der negativen Elektrode durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode und beim Laden wieder zurück. Lithium-Ionen-Batterien verwenden beispielsweise eine interkalierte Lithiumverbindung an der positiven Elektrode und typischerweise Graphit an der negativen Elektrode.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt auf ein gesondertes Anodenmaterial verzichtet. Die Abscheidung von Lithium erfolgt beim ersten Ladeschritt direkt auf dem Stromkollektor.
Bei dem geladenen Lithium-Ionen-Akkumulator wird die elektrische Potentialdifferenz der Elektroden in einem elektrochemischen Prozess unter Materialänderung der Elektroden zur Stromerzeugung genutzt. Im Akkumulator können Lithium-Ionen frei durch den festen Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden wandern. Im Gegensatz zu den Lithium-Ionen sind die Metall- und Übergangsmetallstrukturen der Elektroden stationär und durch einen Separator vor direktem Kontakt geschützt. Die Beweglichkeit der Lithium-Ionen ist notwendig, um den äußeren Stromfluss beim Laden und Entladen auszugleichen, damit die Elektroden selbst (weitgehend) elektrisch neutral bleiben.
Beim Entladen gibt die Interkalationsverbindung Elektronen ab, die über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Gleichzeitig wandern ebenso viele Lithium-Ionen von der Interkalationsverbindung durch den festen Elektrolyten zur positiven Elektrode. An der positiven Elektrode nehmen nicht die Lithium-Ionen die Elektronen aus dem äußeren Stromkreis auf, sondern die Strukturen der dort vorhandenen Übergangsmetallverbindungen. Je nach Akkutypus können es Kobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisenionen sein, die ihre Ladung ändern. Im entladenen Zustand des Akkumulators liegt das Lithium noch in Form von Ionen in der positiven Elektrode vor.
Da die Affinität von Lithium-Ionen zum Material der positiven Elektrode größer ist als ihre Affinität zur negativen Elektrode, wird Energie freigesetzt, wenn Lithium-Ionen von der negativen zur positiven Elektrode fließen.
Innerhalb beider Elektroden können sich Elektronen frei als Elektronengas bewegen und zu den äußeren Leitern wandern oder von den Leitern in die Elektrode eintreten, aber nicht zwischen den Elektroden innerhalb der Batterie wandern. Die Trennwand ist elektronenundurchlässig, was einen Kurzschluss verhindert.
Wenn die Elektrode als die negative Elektrode der Batterie verwendet wird, kann die negative Elektrode ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen.
Die Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen Feststoffelektrolyten in der Separatorlage.
Die Entwicklung von Lithiummetall-Akkus gilt als die vielversprechendste Technologie, die ein System hoher Energiedichte für die Energiespeicherung ermöglichen kann. Allerdings leiden die heutigen Lithiummetall-Akkus unter Dendritenwachstum, was die praktische Anwendung von Lithiummetall-Akkus in tragbaren Elektronikgeräten und Elektrofahrzeugen erschwert. Im Laufe mehrerer Lade-/Entladezyklen bilden sich auf der Lithiummetalloberfläche mikroskopisch kleine Lithiumfasern, sogenannte Dendriten, die sich ausbreiten, bis sie die andere Elektrode berühren. Das Leiten elektrischen Stroms durch diese Dendriten kann den Akku kurzschließen. Einer der schwierigsten Aspekte der Herstellung eines Lithiummetall-Akkus ist die Entwicklung einer stabilen und effizienten Festelektrolyt-Grenzfläche.
Neben produktionstechnischen Effizienzgewinnen ergibt sich folglich auch ein verbessertes Leistungsverhalten.
Die Feststoffelektrolyt-Lage wird bevorzugt mittels eines kontinuierlichen CVD/PVD-Prozesses direkt auf dem Stromkollektor hergestellt. Weiter bevorzugt findet dies beidseitig statt.
Der für Li-Ionen leitfähige Feststoffelektrolyt weist vorzugsweise eine NASICON-Struktur, LISICON-Struktur, Granat-Struktur, Argyrodit-Struktur oder Perowskit-Struktur auf oder ist ein sulfidischer Feststoffelektrolyt.
Geeignete Lithium-analoge Strukturen von NASICON umfassen insbesondere Lithiumphosphate der Formel LiM₂(PO₄)₃, wobei M für ein Basiselement ausgewählt aus der Gruppe Ti, Ge, Zr, Hf oder Sn steht. Zur Steigerung der Ionenleitfähigkeit können die Lithiumphosphate dotiert werden, wobei als Dotand vorzugsweise Al, Cr, Ga, Fe, Sc, In, Lu, Y und La dienen. Besonders bevorzugt sind LiZr₂(PO₄)₃ (LZP) dotiert mit La, Ti oder Al; LiTi₂(PO₄)₃ (LTP); Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ mit x = 0,3 - 0,5 (LATP) Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ mit x = 0,4 - 0,5 (LAGP) und Li_1.4Al_0.4Ge_0.2Ti_1.6(PO₄)₃ LAGTP.
LISICON ist ein Akronym für Lithium Super lonic Conductor und bezog sich ursprünglich auf eine Familie von Mineralien mit der chemischen Formel Li_2+2xZn_1-xGeO₄. Die Bezeichnung wird jedoch mittlerweile auch für strukturell vergleichbare Minerale mit abweichender chemischer Zusammensetzung verwendet und wird auch vorliegend so verstanden. So kann beispielsweise Sauerstoff durch Schwefel ersetzt werden (thio-LISICON). Geeignete schwefelbasierte Feststoffelektrolyte umfassen beispielsweise Li₂S-P₂S₅-X-Systeme (mit X = SiS₂, GeS₂, Lil, P₂S₃, P₂Se₅, P₂O₅ oder ohne Zusatz).
Granate sind strukturell betrachtet Orthosilikate der allgemeinen Zusammensetzung X₃Y₂(SiO₄)₃, die im kubischen Kristallsystem kristallisieren, wobei X und Y achtfach bzw. sechsfach koordinierte Kationenstellen darstellen. Die einzelnen SiO₄-Tetraeder sind miteinander durch ionische Bindungen über die interstitiellen B-Kationen verbunden. Granatartige Verbindungen mit einem Lithiumüberschuss sind gute Lithiumionenleiter. Beispiele für Ionenleiter mit granatartiger Struktur umfassen Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) und Li_6.6La₃Zr_1.6Ta_0.4O₁₂.
Argyrodit ist ein Mineral mit einem orthorhombischen Kristallsystem der chemischen Zusammensetzung Ag₈GeS₆. Der Begriff wird vorliegend für Lithiumionenleiter verwendet, die ein vergleichbares Kristallsystem aufweisen. Beispiele umfassen Li_1-xZCh_6-xX_x mit x = 0 bis 1, Z = P oder As, Ch = S oder Se und X = Ci, Br oder I. Besonders bevorzugt sind die Li-Argyrodite Li₆PS₅X (X= Cl, Br and I), Li₇PS₆ und Li₇PSe₆ und Li_6.6P_0.4Ge_0.6S₅I.
Bekanntester Vertreter der Perowskite ist Lithiumlanthantitanat (LLTO), wobei Leerstellen in der Perowskit-Struktur die hohe Leitfähigkeit ermöglichen.
Hohe Ionenleitfähigkeiten lassen sich auch mit sulfidischen Feststoffelektrolyten mit einem von den vorgenannten Strukturtypen abweichenden Aufbau erreichen. Ein Beispiel ist der Ionenleiter Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS) und hiervon abgeleitete Ionenleiter mit LGPS-Struktur, wie Li₁₀SiP₂S₁₂. Ein weiteres Beispiel für einen schwefelbasierten Feststoffelektrolyten ist β-Li₃PS_4. Ferner eignen sich auch insbesondere binäre sulfidische Gläser, wie Li₂S-P₂S₅, Li₂S-SiS₂ und Li₂S-GeS₂ für den Einsatz als Feststoffelektrolyt. Beispiele umfassen 77.5Li₂S-22.5P₂S₅, Lil-Li₂S-P₂S₅, 80Li₂S-20P₂S₅ und 70Li₂S-29P₂S₅-1 P₂O₅.
Die Lagen bestehen bevorzugt aus einer der angeführten Keramiken, die eine Schichthöhe von 0,1 bis 15 µm (Mikrometer) pro Lage aufweisen.
Als Stromkollektor im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Gebilde innerhalb der Batterieelektroden verstanden, das so konstruiert ist, dass es einen Stromfluss zwischen Zellenpolen und den aktiven Massen der Batterie ermöglicht.
Stromkollektoren sind unverzichtbare Komponenten zur Überbrückung von Lithium-Ionen-Batterien und externen Stromkreisen und haben großen Einfluss auf die Kapazität, Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität von Lithium-Ionen-Batterien. Herkömmliche Stromkollektoren, wie Al- und Cu-Folien, werden seit der ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie verwendet, und in den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Dicke dieser Stromkollektoren verringert, um die Energiedichte zu erhöhen.
Um die Leistung jedoch weiter zu verbessern, können auch alternative Materialien und Strukturen sowie spezifische Behandlungen wie Ätzen und Kohlenstoffbeschichtung verwendet werden, um die elektrochemische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit von Stromkollektoren zu verbessern, Kapazitäten und längere Lebensdauer zu ermöglichen.
Wird ein hybrider Stromkollektor aus einem nichtmetallischen Material eingesetzt, kann die spezifische Energiedichte der Zelle erhöht und auftretende mechanische Spannungen kompensiert werden. Des Weiteren kann die Flexibilität weiter gesteigert werden. Kernmaterial kann Kunststoff oder ein anderes geartetes Kernmaterial sein.
Diese hybride Anode zeichnet sich dadurch aus, dass sie aufgrund der Komposition sowie insbesondere der geringen Schichtdicke des Separators mittels hoher Flexibilität wickelfähig ist.
Bevorzugt weist der Hybridkollektor einen nichtmetallischen Kern, insbesondere einen Kunststoffkern oder einen Kern aus einem kunststoffähnlichen Material oder einem Fasermaterial auf. Beispielsweise können Vliese aus Leinen oder Kohlenstofffasern verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Stromkollektor weitere Schichten auf, insbesondere Schichten aus Al, Cu, Ni, Ti oder Edelstahl. Auch kohlenstoffhaltige Materialien sind als zusätzliche Schichten möglich.
Wenn die Elektrode als positive Elektrode der Batterie verwendet wird, kann die positive Elektrode ein Lithium-basiertes positives elektroaktives Material umfassen, das einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, Legierung und Entlegierung oder Plattierung und Ablösung unterzogen werden kann, während es als positiver Anschluss der Kondensatorbatterie fungiert.
Als Kathodenmaterialien kommen unterschiedliche anorganische Lithiumverbindungen in Betracht, beispielsweise
NMC (NCM) - Lithium Nickel Cobalt Mangan Oxide (LiNiCoMnO₂); oder
LFP - Lithium Eisen Phosphate (LiFePO₄/C),
LNMO - Lithium Nickel Mangan Spinel (LiNi_0.5Mn_1.5O₄),
NCA - Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (LiNiCoAlO₂),
LMO - Lithium Mangan Oxide (LiMn₂O₄),
LCO - Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂).
Wie oben beschrieben, besteht die Anode einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie üblicherweise aus Graphit als Aktivmaterial. Fester Kohlenstoff kommt je nach Art der chemischen Bindung in verschiedenen Formen vor, die als Allotrope bekannt sind. Die beiden häufigsten sind Diamant und Graphit. In Graphit sind die Bindungen sp²-Orbital-Hybride und die Atome bilden sich in Ebenen, wobei jedes an drei nächste Nachbarn im Abstand von 120 Grad gebunden ist. In jeder Schicht sind die Kohlenstoffatome in einem Wabengitter angeordnet. Die Bindungslänge beträgt 0,142 nm und der Abstand zwischen den Ebenen 0,335 nm. Atome in der Ebene sind kovalent gebunden, wobei nur drei der vier potentiellen Bindungsstellen erfüllt sind. Das vierte Elektron kann frei in der Ebene wandern, wodurch Graphit elektrisch leitfähig wird. Die Bindung zwischen den Schichten erfolgt über schwache Van-der-Waals-Bindungen, die es ermöglichen, Graphitschichten leicht zu trennen oder aneinander vorbei zu gleiten. Die elektrische Leitfähigkeit senkrecht zu den Schichten ist folglich etwa 1000-mal geringer. Der Schichtaufbau aus Graphit ermöglicht die Einlagerung von Lithiumkationen und damit den Einsatz als Elektrodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien.
Diese herkömmlichen Elektroden, insbesondere Graphitanoden weisen allerdings gewisse Nachteile auf. Um bei Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Kapazität zu erreichen, werden Elektrodenwickel üblicherweise einem Kalandrierprozess unterzogen. Durch diesen Kalandrierprozess wird die Aktivmasse um ca. 40 % komprimiert. Das Kalandrieren ähnelt einem Walzprozess, bei dem Material in einer kleinen Verformungszone mit hoher Kalandrierkraft komprimiert wird.
Dies ist notwendig, um die volumetrische Energiedichte der Zelle zu erhöhen, was wiederum die Leitfähigkeit der Zelle erhöht. Wenn man die Dichte durch Kalandrieren erhöht, nimmt gleichzeitig beispielsweise die Porosität ab. Die Porosität nimmt insbesondere an der Oberfläche schnell ab, wodurch es für Lithium-Ionen schwierig wird, sich zwischen die Graphitschichten einzulagern. Dies wiederum verursacht eine Lithiumbeschichtung auf der Oberfläche, was die Lebensdauer der Zelle drastisch verringert.
Gemäß dem oben beschriebenen Aspekt der Erfindung wird vorliegend die Verwendung des Lithium-Ionen-Batteriestapels dahingehend beschrieben, dass die Lithiumschicht auf dem Stromkollektor erst beim erstmaligen Ladevorgang gebildet wird. Die oben beschriebenen Probleme, die bei der Verwendung von Graphitanoden bestehen, werden somit vermieden.
Auch wenn das Anodenmaterial bevorzugt durch Abscheidung von Lithium beim erstmaligen Ladevorgang gebildet wird, so kann zumindest gemäß einer alternativen Ausführungsform auch ein zusätzliches Anodenmaterial, insbesondere ein Anodenfilm, verwendet werden.
Dieser Anodenfilm könnte ein beliebiges Material sein, das mit dem Kathodenfilm oder der Kathode kompatibel ist. Der Anodenfilm kann eine Energiekapazität aufweisen, die größer oder gleich 372 mAh/g, vorzugsweise ≥ 700 mAh/g und besonders bevorzugt ≥ 1000 mAh/g ist. Der Anodenfilm kann aus einem Graphit, siliziumhaltigen Graphit, Lithiummetall, einer Lithiummetall-Folie oder einer Folie aus einer Lithiumlegierung (z. B. Lithium-AluminiumLegierungen), oder einer Mischung aus einem Lithiummetall und/oder einer Lithiumlegierung und Materialien wie Kohlenstoff (z. B. Koks, Graphit), Nickel, Kupfer, Zinn, Indium, Silizium, Oxiden daraus oder Kombinationen daraus hergestellt sein. Der Anodenfilm umfasst üblicherweise Interkalationsverbindungen, die Lithium enthalten oder Insertionsverbindungen, die Lithium enthalten. In einigen Ausführungsformen, in denen der Anodenfilm Lithiummetall umfasst, kann das Lithiummetall unter Verwendung der hier beschriebenen Verfahren abgeschieden werden. Der Anodenfilm kann durch Extrusion, physikalische oder chemische Dünnfilm-Techniken wie Zerstäubung, Elektronenstrahlverdampfung, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), dreidimensionales Drucken, Lithiumpulver-Abscheidung usw. gebildet werden. In einer Ausführungsform weist der Anodenfilm eine Dicke von etwa 0,5 µm bis etwa 20 µm (z. B. von etwa 1 µm bis etwa 10 µm; von etwa 5 µm bis etwa 10 µm) auf. In einer Ausführungsform ist der Anodenfilm ein Lithiummetall oder Legierungsfilm.
Insbesondere kann gemäß dieser alternativen Ausführungsform die negative Elektrode ein Lithiummetall und/oder eine Lithiumlegierung umfassen. In anderen Variationen kann die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Material umfassen, das auf Silizium basiert und Silizium umfasst, zum Beispiel eine Siliziumlegierung, Siliziumoxid oder Kombinationen davon, die in bestimmten Fällen weiter mit Graphit gemischt sein können.
Weitere Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen und deren Kombination zu entnehmen.
Soweit im Einzelfall nicht anders angegeben, sind die in dieser Anmeldung genannten verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert, die zeigen:

1 eine Lithium-Ionen-Batterieanordnung mit Elektroden gemäß dem Stand der Technik.
2 eine Stapelanode für eine Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 eine Stapelbatterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4a eine Elektrode mit zusätzlicher Beschichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform.
4b eine Elektrode mit zusätzlicher Beschichtung gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.

Im Folgenden werden die Figuren im Detail beschrieben:
1 zeigt eine Lithium-Ionen-Batterie 20 mit Elektroden gemäß einer herkömmlichen Ausgestaltung nach dem Stand der Technik. Die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 können jeweils einen festen Elektrolyten beinhalten, der in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Diese kann in fester, flüssiger oder Gelform vorliegen. Üblicherweise ist der Elektrolyt eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung, die ein Lithiumsalz enthält, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Im Gegensatz zu solchen konventionellen Lösungen betrifft die Erfindung eine Stapelbatterie mit einem Feststoffelektrolyten.
2 zeigt eine Stapelanode 220 für eine Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Stapelanode 220 weist eine Separatorlage 230; und einen (hier dreischichtigen) Stromkollektor 250 auf, wobei der Stromkollektor 250 einen nichtmetallischen Kern 255 aufweist.
Der nichtmetallische Kern 255 besteht aus einem Kunststoffmaterial oder Kohlenstoffmaterial und kann als Fasermaterial ausgebildet sein, beispielsweise las Vlies oder Kohlenstofffasern. Die Stapelanode weist ferner eine metallische Schicht 240 zwischen der Separatorlage 230 und dem Stromkollektor 250 auf. Die Separatorlage 230 weist eine Dicke von 0,1 bis 15 µm auf.
3 zeigt einen Lithium-Ionen-Batteriestapel 300 umfassend eine Stapelanode 220 und einen Kathodenstapel 320 gemäß der Erfindung. Die Stapelanode 220 weist eine Separatorlage 230 und einen Stromkollektor 250 auf, wobei der Stromkollektor 250 einen nichtmetallischen Kern 255 aufweist. Der Kathodenstapel umfasst eine Separatorlage 330; und einen Stromkollektor 350, wobei der Stromkollektor 350 ebenfalls einen nichtmetallischen Kern 355 aufweist.
4a zeigt eine Elektrode mit üblicher Struktur. Die Elektrode wird erhalten, indem ein Substrat 100 bereitgestellt wird, das vorzugsweise aus Kupfer besteht. Der nächste Schritt ist das Aufbringen erster Zusammensetzungen, die erste Schichten 112, 122 einer ersten Beschichtung 110 bzw. einer zweiten Beschichtung 120 auf beiden Seiten des Substrats 100 bilden. Die ersten Zusammensetzungen umfassen ein elektroaktives Material. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auf die Schichten wie sie in 4a gezeigt sind, verzichtet werden, und es erfolgt eine Abscheidung von Lithium während des erstmaligen Ladevorgangs. Die gezeigte Ausführungsform ist somit als alternative Ausführungsform zu verstehen.
4b zeigt eine Elektrode mit üblicher Struktur. Die Elektrode wird durch Bereitstellen eines Substrats 100, welches als Stromkollektor dient, das vorzugsweise aus Kupfer als Anodenmaterial besteht, erhalten. Der nächste Schritt ist das Aufbringen erster Zusammensetzungen, die erste Schichten 112, 122 einer ersten Beschichtung 110 bzw. einer zweiten Beschichtung 120 auf beiden Seiten des Substrats 100 bilden. Die ersten Zusammensetzungen umfassen ein elektroaktives Material. Dann werden in einem weiteren Schritt zweite Zusammensetzungen, die zweite Schichten 114, 124 bilden, auf die ersten Schichten 112, 122 der ersten Beschichtung 110 und der zweiten Beschichtung 120 aufgebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auf die Schichten wie sie in 4b gezeigt sind, verzichtet werden, und es erfolgt eine Abscheidung von Lithium während des erstmaligen Ladevorgangs.
Bezugszeichen

20: Batterie
24: Positive Elektrode
22: Negative Elektrode
26: Separator
100: Substrat
110: Erste Beschichtung
112: Erste Schicht
114: Zweite Schicht
120: Zweite Beschichtung
122: Erste Schicht
124: Zweite Schicht
220: Stapelanode
230: Separatorlage
240: metallische Schicht
250: Stromkollektor
255: Kunststoffkern der Stromkollektors
300: Stapelbatterie
320: Kathodenstapel
330: Separatorlage des Kathodenstapels
350: Stromkollektor
355: Kunststoffkern der Stromkollektors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20170365854 A1 [0004]
WO 2020019392 A1 [0004]
CN 112736277 A [0004]

Claims

Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) umfassend eine Stapelanode (220) aufweisend: eine Separatorlage (230); und einen Stromkollektor (250), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (250) einen nichtmetallischen Kern (255) aufweist.
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß Anspruch 1, wobei der nichtmetallische Kern (255) aus einem Kunststoff- oder Kohlenstoffmaterial besteht.
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der nichtmetallische Kern (255) aus einem Fasermaterial besteht.
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stapelanode (220) ferner aufweist: wenigstens eine metallische Schicht (240), die zwischen der Separatorlage (230) und dem Stromkollektor (250) angeordnet ist.
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Separatorlage (230) eine Dicke von wenigstens 0,1 µm und weniger als 15 µm aufweist.
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Kathodenstapel (320).
Lithium-Ionen-Batteriestapel (300) gemäß Anspruch 6, wobei der Kathodenstapel (320) umfasst: eine Separatorlage (330); und einen Stromkollektor (350), wobei der Stromkollektor (350) einen nichtmetallischen Kern (355) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Batteriestapels (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Separatorlage (230) und Bereitstellen eines Stromkollektors (250) mit einem nichtmetallischen Kern (255).
Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Batteriestapels (300) gemäß Anspruch 8, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Bereitstellen einer metallischen Schicht (240) zwischen der Separatorlage (230) und dem Stromkollektor (250).
Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Batteriestapels (300) gemäß Anspruch 9, wobei die metallische Schicht (240) mittels eines CVD- oder PVD-Prozesses erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Batteriestapels (300) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Separatorlage (230) mittels eines CVD- oder PVD-Prozesses erzeugt wird.
Verwendung des Lithium-Ionen-Batteriestapels (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verwendung einen Ladevorgang umfasst, bei dem eine Lithiumschicht auf dem Stromkollektor (250) gebildet wird.