DE102022107901A1 - Separatoren für elektrochemische zellen und solche separatoren umfassende elektrochemische zellen - Google Patents

Separatoren für elektrochemische zellen und solche separatoren umfassende elektrochemische zellen Download PDF

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Abstract

Hierin ist ein Separator für eine lithiumhaltige elektrochemische Zelle vorgesehen. Der Separator umfasst ein poröses Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie eine Überzugsschicht, die angrenzend an wenigstens die erste Seite des porösen Substrats angeordnet ist. Die Überzugsschicht umfasst dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen. Außerdem ist hierin eine elektrochemische Zelle, die einen solchen Separator umfasst, vorgesehen. Die elektrochemische Zelle kann eine negative Elektrode umfassen oder auch nicht umfassen.

Description

  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf lithiumhaltige elektrochemische Zellen und insbesondere auf Separatoren für lithiumhaltige elektrochemische Zellen.
  • HINTERGRUND
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Es besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und - systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen wenigstens zwei Elektroden und einen Elektrolyt und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. 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 und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. Im Fall von Festkörperakkumulatoren, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyt umfassen, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physikalisch trennen, so dass ein eigener Separator nicht erforderlich ist.
  • Herkömmliche 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 zur negativen Elektrode und beim Entladen des Akkumulators in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Solche Lithium-Ionen-Akkumulatoren können bei Bedarf reversibel Strom an eine zugehörige Lastvorrichtung liefern. Insbesondere kann eine Lastvorrichtung von dem Lithium-Ionen-Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode effektiv erschöpft ist. Der Akkumulator kann dann wieder aufgeladen werden, indem ein geeigneter elektrischer Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden fließt.
  • Während der Entladung kann die negative Elektrode eine relativ hohe Konzentration an interkaliertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Die Lithiumionen können von der negativen Elektrode (Anode) zur positiven Elektrode (Kathode) wandern, z.B. durch die ionisch leitende Elektrolytlösung, die in den Poren eines zwischengeschalteten porösen Separators enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen den externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Die Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen werden. Der Akkumulator kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung seiner verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattgefunden haben, umgekehrt werden.
  • Beim Zyklisieren kann es zu einem Verschleiß der aktiven Materialien (z.B. negative Elektrode, positive Elektrode und Elektrolyt) sowie zu metallischen Lithiumablagerungen und zur Bildung von Lithiumdendriten, Oberflächenablagerungen von Lithium, auf der negativen Elektrode kommen. Darüber hinaus kann sich auf der Oberfläche einer lithiumhaltigen negativen Elektrode aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten eine Passivierungsschicht bilden, die auch als SEI-Schicht (SEI = Solid Electrolyte Interphase oder Festkörperelektrolyt-Zwischenphase) bezeichnet wird. Dieser Verschleiß der aktiven Materialien und die Bildung von Dendriten und einer SEI-Schicht können zu einem niedrigen coulombschen Wirkungsgrad, einer schlechten Zyklisierungsleistung und potenziellen Sicherheitsproblemen für den Akkumulator führen.
  • Es wäre wünschenswert, Materialien für Lithium-Ionen-Akkumulatoren und zur Verwendung in Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit hoher Energie und hoher Leistung zu entwickeln, die die derzeitigen Mängel, die eine breite kommerzielle Nutzung verhindern, überwinden. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Materialien für Lithium-Ionen-Akkumulatoren, insbesondere für Separatoren für Lithiumionen enthaltende Akkumulatoren, zu entwickeln, die z.B. den Ionentransport verbessern und glatte Lithiumablagerungen fördern und dadurch den coulombschen Wirkungsgrad, die Geschwindigkeitsleistung und die Schnellladefähigkeit erhöhen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Bei bestimmten Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen Separator für eine lithiumhaltige elektrochemische Zelle vor. Der Separator umfasst ein poröses Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie eine Überzugsschicht, die an wenigstens die erste Seite des porösen Substrats angrenzt. Die Beschichtung umfasst dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen.
  • Die Überzugsschicht kann eine Dicke von kleiner oder gleich ungefähr 10 µm aufweisen, zum Beispiel ungefähr 2 µm bis ungefähr 8 µm. Zusätzlich oder alternativ können die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von kleiner ungefähr 500 nm aufweisen, z.B. ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm.
  • Die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen können Al2O3, ZrO2, γ-AlO(OH), MgO, Mg(OH)2 oder eine Kombination davon umfassen.
  • Es ist möglich, dass die Überzugsschicht ferner ein polymeres Bindemittel oder kein Bindemittel umfasst.
  • Das poröse Substrat kann ein Verbundmaterial, ein Polymermaterial, ein Vliesmaterial oder eine Kombination davon umfassen.
  • Das polymere Material kann ein Polyolefin umfassen.
  • Bei noch anderen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle vor. Die elektrochemische Zelle umfasst eine positive Elektrode, einen ersten Stromkollektor, wobei die positive Elektrode von dem ersten Stromkollektor beabstandet ist, einen Separator und einen flüssigen Elektrolyt, der in die positive Elektrode und/oder den Separator eindringt. Die positive Elektrode umfasst ein erstes elektroaktives Material. Der Separator umfasst ein poröses Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite sowie eine Überzugsschicht, die an wenigstens die erste Seite des porösen Substrats angrenzt. Die Beschichtung umfasst dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen. Der Separator ist zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der positiven Elektrode und des ersten Stromkollektors angeordnet, und die Überzugsschicht ist angrenzend an den ersten Stromkollektor angeordnet.
  • Die Überzugsschicht kann eine Dicke von kleiner oder gleich ungefähr 10 µm aufweisen, zum Beispiel ungefähr 2 µm bis ungefähr 8 µm. Zusätzlich oder alternativ können die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von kleiner 500 nm aufweisen, z.B. ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm.
  • Die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen können Al2O3, ZrO2, γ-AlO(OH), MgO, Mg(OH)2 oder eine Kombination davon umfassen.
  • Es ist möglich, dass die Überzugsschicht ferner ein polymeres Bindemittel oder kein Bindemittel umfasst.
  • Das poröse Substrat kann ein Verbundmaterial, ein Polymermaterial, ein Vliesmaterial oder eine Kombination davon umfassen.
  • Das polymere Material kann ein Polyolefin umfassen.
  • Der Elektrolyt umfasst ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel, wobei die Lithiumsalzkonzentration größer oder gleich ungefähr 2 M ist, z.B. ungefähr 3 M bis ungefähr 4 M.
  • Das erste elektroaktive Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Folgendem besteht: Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1 ist, LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 ist, LiCoO2, Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1 sind, LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0 < x <0,2, y < 0,2 und M Al, Mg oder Ti sind, LiFePO4, LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3 ist, LiNiCoAlO2, LiMPO4, wobei M Fe, Ni, Co und/oder Mn ist, Li(NixMnyCozAlp)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 ≤ P ≤ 1, x + y + z + p = 1 (NCMA) sind, LiNiMnCoO2, Li2FexM1-xPO4, wobei M Mn und/oder Ni ist und 0 ≤ x ≤ 1 ist, LiMn2O4, LiFeSiO4, LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC622), LiMnO2 (LMO), Aktivkohle, Schwefel und einer Kombination davon.
  • Es ist möglich, dass keine negative Elektrode in der elektrochemischen Zelle vorhanden ist. Alternativ kann die elektrochemische Zelle ferner eine ein zweites elektroaktives Material umfassende negative Elektrode umfassen. Die negative Elektrode kann sich zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Überzugsschicht des Separators und des ersten Stromkollektors befinden.
  • Das zweite elektroaktive Material kann Lithium, eine Lithium-Silicium-Legierung, eine Lithium-Aluminium-Legierung, eine Lithium-Indium-Legierung, eine Lithium-Zinn-Legierung, Graphit, Aktivkohle, Ruß, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Graphen, Silicium, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliciumoxid, Titanoxid, Lithiumtitanat oder eine Kombination davon umfassen.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 zeigt eine beispielhafte elektrochemische Akkumulatorzelle in einer schematischen Darstellung.
    • 2 zeigt eine weitere beispielhafte elektrochemische Akkumulatorzelle in einer schematischen Darstellung.
    • 3 zeigt einen beispielhaften Separator, der ein poröses Substrat und eine Überzugsschicht für eine elektrochemische Akkumulatorzelle umfasst, in einer Querschnittsansicht.
    • 4 zeigt einen beispielhaften Separator, der ein poröses Substrat und eine an einen ersten Stromkollektor angrenzende Überzugsschicht umfasst, in einer Querschnittsansicht.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • 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“ oder an dem- oder derselben „angebracht“ 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 oder an dem- oder derselben angebracht sein, oder es können dazwischen liegende 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“ oder an dem- oder derselben „direkt angebracht“ 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. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Abbildungen umgedreht, würden Elemente, die als „unter“ anderen Elementen oder Merkmalen beziehungsweise „unterhalb“ anderer Elemente oder Merkmale beschrieben sind, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet sein. Somit kann der Beispielbegriff „unter“ sowohl die Ausrichtung über als auch die Ausrichtung unter umfassen. Das Gerät kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können entsprechend interpretiert werden.
  • Es versteht sich, dass es bei jeder Erwähnung eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, einer Vorrichtung oder eines Systems, das bzw. die bestimmte Schritte, Bestandteile oder Merkmale „umfasst“, auch denkbar ist, dass ein solches Verfahren, eine solche Zusammensetzung, eine solche Vorrichtung oder ein solches System bei bestimmten alternativen Abwandlungen auch „im Wesentlichen aus“ den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Merkmalen bestehen kann, so dass alle anderen Schritte, Bestandteile oder Merkmale, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale der Erfindung erheblich verändern würden, davon ausgeschlossen sind.
  • 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.
  • 1. Elektrochemische Zelle
  • Lithiumhaltige elektrochemische Zellen umfassen typischerweise eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, einen Elektrolyt zur Leitung von Lithiumionen zwischen der negativen und der positiven Elektrode und einen porösen Separator zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode, um die Elektroden physisch voneinander zu trennen und elektrisch zu isolieren und gleichzeitig einen freien Ionenfluss zu ermöglichen. Beim Einbau in eine elektrochemische Zelle, zum Beispiel in einen Lithium-Ionen-Akkumulator, wird der poröse Separator mit einem flüssigen Elektrolyt infiltriert. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf verbesserte Separatoren für lithiumhaltige elektrochemische Zellen (z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren). Es wurde herausgefunden, dass der Einschluss einer Überzugsschicht, die auf wenigstens einer Oberfläche eines porösen Separators vorhanden ist, vorteilhaft eine im Wesentlichen gleichmäßige oder homogene Verteilung von Lithiumionen beim Zyklisieren ermöglichen kann, wobei die Überzugsschicht dreidimensional (3D) angeordnete poröse keramische Teilchen umfasst. Diese gleichmäßige oder homogene Verteilung von Lithiumionen kann die Bildung von Lithiumdendriten verhindern und die Gesamtleistung der elektrochemischen Zelle verbessern. Es wurde ferner festgestellt, dass diese im Wesentlichen gleichmäßige oder homogene Verteilung von Lithiumionen an einer Grenzfläche zwischen der Überzugsschicht und einer Oberfläche der negativen Elektrode sowie an einer Grenzfläche zwischen der Überzugsschicht und einer Oberfläche eines Stromkollektors erreicht werden kann. Somit kann eine elektrochemische Zelle, die einen Separator mit einer solchen Überzugsschicht umfasst, mit oder ohne negative Elektrode gebildet werden.
  • Hierin ist eine elektrochemische Zelle zur Verwendung in Akkumulatoren, z.B. in einem Lithium-Ionen-Akkumulator, oder als Kondensator vorgesehen. Zum Beispiel zeigt 1 eine elektrochemische Zelle (auch als Lithium-Ionen-Akkumulator oder Akkumulator bezeichnet) 10 in einer beispielhaften und schematischen Veranschaulichung. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst einen ersten Stromkollektor 32, eine positive Elektrode 24 (auch als positive Elektrodenschicht 24 bezeichnet), einen zweiten Stromkollektor 34 (auch als ein der positiven Elektrode zugeordneter Stromkollektor 34 bezeichnet), der an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 angeordnet sein kann, und einen zwischen der positiven Elektrode 24 und dem ersten Stromkollektor 32 angeordneten Separator 26. Der Separator 26 kann eine Überzugsschicht 50 umfassen, die unten näher beschrieben wird. Der Raum (z.B. der Separator 26) zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der positiven Elektrode 24 kann mit dem Elektrolyt 30 gefüllt sein. Befinden sich im Inneren der positiven Elektrode 24 Poren, können auch diese mit dem Elektrolyt 30 gefüllt sein. Der Elektrolyt 30 kann jeweils die Oberflächen der positiven Elektrode 24 und des porösen Separators 26 imprägnieren, infiltrieren oder benetzen und füllt deren Poren aus. Wie in 1 dargestellt, umfasst die elektrochemische Zelle 10 keine negative Elektrode oder negative Elektrodenschicht.
  • Alternativ ist, wie in 2 dargestellt, eine elektrochemische Zelle 100 (auch als Lithium-Ionen-Akkumulator oder Akkumulator bezeichnet) bereitgestellt, die eine negative Elektrode 22 (auch als negative Elektrodenschicht 22 bezeichnet), eine positive Elektrode 24 (auch als positive Elektrodenschicht 24 bezeichnet) und einen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordneten Separator 26 umfassen kann. Bei solchen Ausgestaltungen kann der erste Stromkollektor 32 der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 32 sein, der an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 angeordnet ist. Der Separator 26 kann außerdem eine Überzugsschicht 50 umfassen, die unten näher beschrieben wird. Der Raum (z.B. der Separator 26) zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 kann mit dem Elektrolyt 30 gefüllt sein. Befinden sich im Inneren der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 Poren, können auch diese mit dem Elektrolyt 30 gefüllt sein. Der Elektrolyt 30 kann jeweils die Oberflächen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und des porösen Separators 26 imprägnieren, infiltrieren oder benetzen und füllt deren Poren aus.
  • Der erste Stromkollektor 32 und der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 verbinden den ersten Stromkollektor 32 und die positive Elektrode 24 (über ihren Stromkollektor 34) oder die negative Elektrode 22 (über ihren Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über ihren Stromkollektor 34). Die negative Elektrode 22 (sofern vorhanden), die positive Elektrode 24 und der Separator 26 können ferner jeweils den Elektrolyt 30 umfassen, der in der Lage ist, Lithiumionen zu leiten. Der Separator 26 wirkt sowohl als elektrischer Isolator als auch als mechanischer Träger, indem er zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der positiven Elektrode 24 oder zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 angeordnet ist, um einen physischen Kontakt und damit das Auftreten eines Kurzschlusses zu verhindern. Der Separator 26 stellt nicht nur eine physische Barriere zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der positiven Elektrode 24 oder zwischen den Elektroden 22, 24 dar, sondern kann auch einen Weg mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Lithiumionen (und verwandten Anionen) bereitstellen, um die Funktion der Akkumulators 10, 100 zu ermöglichen. Der Separator 26 enthält außerdem eine Elektrolytlösung in einem Netzwerk offener Poren während der Zyklisierung von Lithiumionen, um die Funktion des Akkumulators 10, 100 zu ermöglichen.
  • Der Akkumulator 10, 100 kann beim Entladen durch reversible elektrochemische Reaktionen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um den ersten Stromkollektor 32 und die positive Elektrode 24 oder die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und der erste Stromkollektor 32 oder die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge an eingelagertem Lithium enthält, einen elektrischen Strom erzeugen. In dem Akkumulator 10 treibt die beim chemischen Potenzial vorhandene Differenz zwischen der positiven Elektrode 24 und dem ersten Stromkollektor 22 die durch die Oxidation von abgeschiedenem Lithium, z.B. von metallischem Lithium, am ersten Stromkollektor 32 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Alternativ treibt in dem Akkumulator 100 die beim chemischen Potenzial vorhandene Differenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an dem ersten Stromkollektor 32 oder der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 und den Separator 26 zur positiven Elektrode 24 übertragen. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40 und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26 im Elektrolyt 30, um an der positiven Elektrode 24 interkaliertes Lithium zu bilden. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das eingelagerte Lithium in dem ersten Stromkollektor 32 oder in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität des Lithium-Ionen-Akkumulators 10 oder des Lithium-Ionen-Akkumulators 100 verringert ist.
  • Der Lithium-Ionen-Akkumulator 10, 100 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom/Energie versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an den Lithium-Ionen-Akkumulator 10, 100 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die beim Entladen des Akkumulators auftreten. Der Anschluss einer externen Stromquelle an den Lithium-Ionen-Akkumulator 10, 100 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation des interkalierten Lithiums an der positiven Elektrode 24 zur Erzeugung von Elektronen und Lithiumionen. In dem Akkumulator 10 vereinigen sich die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zum ersten Stromkollektor 32 fließen, und die Lithiumionen, die vom Elektrolyt 30 über den Separator 26 zurück zum ersten Stromkollektor 32 getragen werden, wieder am ersten Stromkollektor 32 und füllen ihn mit abgeschiedenem Lithium auf, z.B. als metallisches Lithium, das auf dem ersten Stromkollektor 32 abgeschieden wird, um beim nächsten Akkumulatorentladevorgang verbraucht zu werden. In dem Akkumulator 100 vereinigen sich die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zur negativen Elektrode 22 zurückfließen, und die Lithiumionen, die von dem Elektrolyt 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 getragen werden, wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen sie mit eingelagertem Lithium zum Verbrauch beim nächsten Akkumulatorentladevorgang 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 dem ersten Stromkollektor 32 oder zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Lithium-Ionen-Akkumulators 10, 100 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und jeweiliger Endanwendung des Lithium-Ionen-Akkumulators 10, 100 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem eine Wechselstromwandsteckdose und eine Wechselstromlichtmaschine in Kraftfahrzeugen.
  • In vielen Akkumulatoranordnungen werden jeweils der erste Stromkollektor 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromkollektor 34 als relativ dünne Schichten (z.B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern oder einem Millimeter oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallel geschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes Energiepaket zu erhalten. Der erste Stromkollektor 32 und der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg.
  • Darüber hinaus kann der Akkumulator 10, 100 eine Vielzahl weiterer Komponenten umfassen, die hierin zwar nicht dargestellt sind, die dem Fachmann aber dennoch bekannt sind. Zum Beispiel (nicht einschränkend) kann der Lithium-Ionen-Akkumulator 10, 100 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Akkumulatorpole und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 10, 100, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden können. Der in 1 gezeigte Akkumulator 10 und der in 2 gezeigte Akkumulator 100 umfassen beide einen flüssigen Elektrolyt 30 und zeigen repräsentative Konzepte des Akkumulatorbetriebs.
  • Wie bereits erwähnt, können die Größe und Form des Lithium-Ionen-Akkumulators 10, 100 je nach der entsprechenden Anwendung, für die er ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 10, 100 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 10, 100 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallel geschaltet sein, um eine höhere Ausgangsspannung und Leistungsdichte zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird.
  • Dementsprechend kann der Akkumulator 10, 100 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die mit dem externen Stromkreis 40 wirkverbunden sein kann. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, vollständig oder teilweise gespeist werden, wenn sich der Lithium-Ionen-Akkumulator 10, 100 entlädt. 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 Geräten 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 eine Stromerzeugungsvorrichtung sein, die den Akkumulator 10, 100 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
  • Die vorliegende Technologie bezieht sich auf verbesserte elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren. In verschiedenen Fällen werden solche Zellen in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt 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.
  • A. Separator
  • Hierin ist ein poröser Separator (z.B. der Separator 26) für eine lithiumhaltige elektrochemische Zelle vorgesehen. Der poröse Separator kann ein poröses Substrat und eine Überzugsschicht umfassen, die dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen umfasst. Zum Beispiel kann der Separator 26, wie in 3 gezeigt, ein poröses Substrat 40 mit einer ersten Seite 42 (oder ersten Oberfläche 42) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 44 (oder zweiten Oberfläche 44) umfassen. Eine Überzugsschicht 50 mit 3D angeordneten porösen Keramikteilchen 60 ist nur auf einer ersten Seite 42 des Substrats 40 vorhanden. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann die Überzugsschicht 50, die die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen 60 umfasst, alternativ nur auf einer zweiten Seite 44 des Substrats 40 vorhanden sein oder die Überzugsschicht 50 kann auf beiden Seiten 42, 44 des Substrats 40 vorhanden sein. In einer Anordnung kann zum Beispiel der Separator 26, wie in 1 und 4 dargestellt, zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der positiven Elektrode 24 und des ersten Stromkollektors 32 angeordnet sein. Bei solchen Ausgestaltungen ist die Überzugsschicht 50 einer ersten Fläche 65 des ersten Stromkollektors 32 zugewandt, angrenzend an sie angeordnet und/oder an sie angedrückt. In einer alternativen Anordnung kann der Separator 26 zum Beispiel, wie in 2 dargestellt, zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Bei solchen Ausgestaltungen ist die Überzugsschicht 50 einer zweiten Fläche 23 der negativen Elektrode 22 zugewandt, angrenzend an sie angeordnet und/oder an sie angedrückt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Seite 44 des Substrats 42 mit einer Überzugsschicht 50 (nicht dargestellt) beschichtet sein, und die Überzugsschicht 50 kann einer dritten Fläche 25 der positiven Elektrode 24 zugewandt, angrenzend an sie angeordnet und/oder an sie angedrückt sein. Bei solchen Ausgestaltungen kann die erste Seite 42 des Substrats 40 eine Überzugsschicht 50, die darauf vorhanden ist, umfassen oder auch nicht umfassen.
  • Bei jeder Ausgestaltung kann eine Überzugsschicht 50 durchgehend oder nicht durchgehend auf der ersten und/oder zweiten Seite 42, 44 des Substrats 40 gebildet sein. Beispielsweise kann eine Überzugsschicht 50 auf eine solche Weise auf der ersten Seite 42 des Substrats gebildet sein, dass die Überzugsschicht 50 einen gesamten Oberflächenbereich oder nur einen Teil des Oberflächenbereichs auf der ersten Seite 42 des Substrats 40 bedeckt. Ebenso kann eine Überzugsschicht 50 auf eine solche Weise auf der zweiten Seite 44 des Substrats 40 gebildet sein, dass die Überzugsschicht 50 einen gesamten Oberflächenbereich oder nur einen Teil des Oberflächenbereichs auf der zweiten Seite 44 des Substrats 40 bedeckt. Die Überzugsschicht 50 kann sich über die erste und die zweite Seite 42, 44 des Substrats 40 erstrecken und in einigen Fällen teilweise in die Mikroporen des Substrats 40 hineinreichen.
  • Bei jeder Ausgestaltung kann das poröse Substrat 40 ein beliebiges organisches oder anorganisches Material umfassen, das eine positive und eine negative Elektrode physisch voneinander trennen und elektrisch isolieren kann, während es den freien Fluss von Lithiumionen dazwischen ermöglicht. Das Substrat 40 kann z.B. ein Verbundmaterial oder ein Vliesmaterial umfassen, z.B. eine Platte, eine Bahn oder eine Matte, hergestellt aus gerichteten oder ungeordneten Fasern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Baumwolle, Nylon, Polyester, Glas und eine Kombination davon. Als weiteres Beispiel kann das Substrat 40 ein poröses (z.B. mikroporöses) Polymermaterial umfassen, z.B. eine mikroporöse Membran oder Folie auf Polyolefinbasis. Das poröse Substrat 40 kann ein einzelnes Polyolefin oder eine Kombination von Polyolefinen umfassen, wie z.B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und/oder Polyvinylchlorid (PVC). Das Polyolefin kann ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. Bei einigen Ausgestaltungen kann das poröse Substrat 40 ein Laminat aus einem oder mehreren Polymermaterialien umfassen, wie z.B. ein Laminat aus PE und PP. Im Handel erhältliche Substrate für poröse Polyolefin-Separatoren umfassen CELGARD® 2500 (einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2325 (dreischichtiger Polypropylen-/Polyethylen-/Polypropylen-Separator), die von Celgard LLC angeboten werden.
  • Bei anderen Aspekten kann das Substrat 40 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen erstreckt, und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus gleichartigen oder verschiedenen Polyolefinen zusammengesetzt sein, um das Substrat 40 zu bilden. Der Separator 40 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, zu denen unter anderen Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Polyamid-Polyimid-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen, gehören. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können ferner als Faserschicht in das Substrat 40 aufgenommen sein, um dazu beizutragen, dem Substrat 40 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • Das Substrat 40 kann eine Dicke, gemessen zwischen der ersten und zweiten Seite 42, 44 des Substrats 40, im Bereich von ungefähr 4 µm bis ungefähr 25 µm aufweisen.
  • Bei einigen Ausgestaltungen kann die Überzugsschicht 50 Dicken von kleiner oder gleich ungefähr 25 µm, kleiner oder gleich ungefähr 20 µm, kleiner oder gleich ungefähr 10 µm, kleiner oder gleich ungefähr 8 µm, kleiner oder gleich ungefähr 5 µm, kleiner oder gleich ungefähr 2 µm, kleiner oder gleich ungefähr 1 µm oder ungefähr 50 nm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Überzugsschicht 50 Dicken im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 25 µm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 20 µm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 10 µm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 8 µm, ungefähr 2 µm bis ungefähr 20 µm, ungefähr 2 µm bis ungefähr 10 µm, ungefähr 2 µm bis ungefähr 8 µm oder ungefähr 2 µm bis ungefähr 5 µm aufweisen. Im Vergleich zur Dicke des Substrats 40 kann die Dicke der Überzugsschicht 50 geringer sein als die des Substrats 40. Die Dicke der Überzugsschicht 50 kann beispielsweise 50 % oder weniger der Dicke des Substrats 40 betragen.
  • Wie hierin verwendet, umfassen die 3D angeordneten Keramikteilchen in der Überzugsschicht 50 eine Struktur mit einem porösen Körper, der monodisperse Keramikteilchen aufweist, die kugelförmig sein können und in 3D-Anordnungen gepackt sind. Die 3D angeordneten keramischen Teilchen können zum Beispiel regelmäßig angeordnete Poren mit einer hexagonalen, dicht gepackten Struktur aufweisen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „monodisperse Teilchen“ auf Teilchen, bei denen wenigstens 60 % der Teilchen in einen bestimmten Teilchengrößenbereich fallen. Zum Beispiel weisen die monodispersen Teilchen vorzugsweise einen Durchmesser auf, der um weniger als 10 % im Effektivwert abweicht, vorzugsweise weniger als 5 % im Effektivdurchmesser.
  • Wie in 3 und 4 dargestellt, umfassen die 3D angeordneten Keramikteilchen 60 einen Hohlraum 65 oder eine Pore 65, die kugelförmig sein kann. Diese Poren 65 sowie die Zwischenräume 67 zwischen den Teilchen 60 können sich so ausrichten, dass sie Kanäle mit einer dreidimensionalen, regelmäßig durchgehenden Struktur bilden, und diese Kanäle können Lithiumionen beim Zyklisieren vorteilhafterweise in homogener oder gleichmäßiger Weise im gesamten Separator 26 verteilen und/oder umverteilen. Insbesondere kann eine solche Struktur der Überzugsschicht 50 eine homogene Verteilung der Lithiumionen, z.B. in den Zwischenräumen 67, an der ersten Fläche 65 des ersten Stromkollektors 32 oder an der zweiten Fläche 23 der negativen Elektrode 22 ermöglichen, wodurch eine Dendritenbildung verhindert wird. Darüber hinaus kann eine größere Menge des Elektrolyten 30 in die Poren 65 und Zwischenräume 67 zwischen den Keramikteilchen 60 eindringen und diese durchtränken, um eine höhere Ionenleitfähigkeit zu erreichen. Somit können die Diffusion von Lithiumionen kontrolliert und eine hohe Zyklenzahl in der elektrochemischen Zelle erreicht werden. Diese homogene Verteilung der Lithiumionen kann mit herkömmlichen Separatoren ohne die oben beschriebene Beschichtung nicht unbedingt erreicht werden, da herkömmliche Separatoren eine unregelmäßige Porenverteilung aufweisen können, die den Zugang der Lithiumionen an der ersten Fläche 65 des ersten Stromkollektors 32 oder an der zweiten Fläche 23 der negativen Elektrode 22 blockiert.
  • Bei jeder beliebigen Ausgestaltung können die Teilchen 60 einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von kleiner oder gleich ungefähr 20 µm, kleiner oder gleich ungefähr 15 µm, kleiner oder gleich ungefähr 10 µm, kleiner oder gleich ungefähr 5 µm, kleiner oder gleich ungefähr 1 µm, kleiner oder gleich ungefähr 100 nm, kleiner oder gleich ungefähr 50 nm oder von ungefähr 10 nm aufweisen, oder von ungefähr 10 nm bis ungefähr 20 µm, ungefähr 10 nm bis ungefähr 10 µm, ungefähr 10 nm bis ungefähr 5 µm, ungefähr 10 nm bis ungefähr 1 µm, ungefähr 100 nm bis ungefähr 20 µm, ungefähr 100 nm bis ungefähr 10 µm oder von ungefähr 100 nm bis ungefähr 1 µm. Zusätzlich oder alternativ können die Teilchen 60 einen durchschnittlichen Porendurchmesser (d.h. einen durchschnittlichen Durchmesser der Pore 65) von kleiner oder gleich ungefähr 500 nm, kleiner oder gleich ungefähr 400 nm, kleiner oder gleich ungefähr 200 nm, kleiner oder gleich ungefähr 100 nm, kleiner oder gleich ungefähr 75 nm, kleiner oder gleich ungefähr 50 nm, kleiner oder gleich ungefähr 25 nm oder von ungefähr 1 nm aufweisen, oder von ungefähr 1 nm bis ungefähr 500 nm, ungefähr 1 nm bis ungefähr 200 nm, ungefähr 1 nm bis ungefähr 100 nm, ungefähr 1 nm bis ungefähr 50 nm, ungefähr 50 nm bis 500 nm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 100 nm, ungefähr 50 nm bis ungefähr 75 nm, ungefähr 100 nm bis ungefähr 500 nm, ungefähr 100 nm bis ungefähr 400 nm oder von ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm.
  • Bei jeder beliebigen Ausgestaltung können die keramischen Teilchen 60 aus jedem geeigneten keramischen Material bestehen. Die keramischen Teilchen 60 können beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Zirconiumdioxid (ZrO2), Böhmit (γ-AIO(OH)), Mg(OH)2, MgO und beliebige Kombinationen davon umfassen. Die keramischen Teilchen (z.B. Aluminiumoxid- und Zirconiumdioxidteilchen) können in jeder Phase vorhanden sein. Die Zirconiumdioxidteilchen können beispielsweise in monokliner Phase, tetragonaler Phase, kubischer Phase oder einer Kombination davon vorliegen. Bei jeder Ausgestaltung können die Aluminiumoxidteilchen kristalline α-Al2O3-Teilchen, β-Al2O3-Teilchen, γ-Al2O3-Teilchen, η-Al2O3-Teilchen, θ-Al2O3-Teilchen, κ-Al2O3-Teilchen, X-Al2O3-Teilchen, σ Al2O3-Teilchen oder Kombinationen davon umfassen.
  • Darüber hinaus kann die Überzugsschicht 50 ferner ein polymeres Bindemittel umfassen, wobei die 3D angeordneten keramischen Teilchen 60 mit dem polymeren Bindemittel durchsetzt oder vermengt sind. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff „polymeres Bindemittel“ Polymervorläufer, die zur Bildung des polymeren Bindemittels verwendet werden, z.B. Monomere oder Monomersysteme, die eines der oben offenbarten polymeren Bindemittel bilden können. Beispiele für geeignete polymere Bindemittel umfassen unter anderem Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitrilbutadienkautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Polyacrylsäure, Polyimid, Polyamid, Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon. Bei einigen Ausgestaltungen kann das polymere Bindemittel ein nichtwässriges Polymer auf Lösungsmittelbasis oder ein Polymer auf Wasserbasis sein. Bei alternativen Ausgestaltungen ist es möglich, dass die Überzugsschicht kein Bindemittel, wie z.B. ein polymeres Bindemittel, umfasst. In solchen Fällen können die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen aufgebracht und durch Van-der-Waals-Kräfte gehalten werden.
  • Die Überzugsschicht 50 kann nach in der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Überzugsschicht 50, die 3D angeordnete poröse Keramikteilchen umfasst, durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem monodisperse kugelförmige anorganische Feinteilchen als Schablone verwendet werden, wie beispielsweise in M. C. Chang, J. Korean Ceram. Soc. 53(1) (2016), S. 50-55, beschrieben, dessen relevante Teile hierin durch Verweis aufgenommen sind. Im Allgemeinen kann eine kugelförmige Polymerschablone durch die Synthese von monodispersen Polymerkugeln hergestellt werden, die beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) oder Glycidylmethacrylat (GMA) gebildet sind. Die kugelförmige Polymerschablone kann mit einem keramischen Vorläufer in einem organischen Lösungsmittel kombiniert oder vermischt werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Der keramische Vorläufer kann ein keramisches metallorganisches Salz sein. Zur Herstellung von 3D angeordneten Zirconiumdioxidteilchen kann der keramische Vorläufer beispielsweise ein Zirconiumacetat sein. Das organische Lösungsmittel kann ein Alkohol sein, z.B. Methanol oder Ethanol. Die kugelförmige Polymerschablone, der keramische Vorläufer und das organische Lösungsmittel können eine angemessene Zeit lang gerührt werden, um eine vollständige Bedeckung der kugelförmigen Polymerschablone durch den keramischen Vorläufer sicherzustellen. Nach dem Kombinieren kann das organische Lösungsmittel aus der Aufschlämmung entfernt werden, z.B. durch Ablassen, Absaugen und/oder Trocknen (z.B. bei oder über Raumtemperatur (15 °C bis 25 °C)), um eine getrocknete Zwischenstruktur zu bilden (d.h. eine getrocknete, mit dem keramischen Vorläufer beschichtete kugelförmige Polymerschablone). Die getrocknete Zwischenstruktur kann dann unter atmosphärischen Bedingungen bei einer geeigneten Temperatur (z.B. zwischen 400 °C und 1.000 °C) für eine geeignete Zeitspanne (z.B. 5 Stunden bis 20 Stunden) gebrannt werden, um die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen zu bilden. Der Durchschnittsfachmann weiß, dass die Porengröße der 3D angeordneten porösen Keramikteilchen durch eine geeignete Auswahl der Teilchengröße der monodispersen sphärischen anorganischen Feinteilchen, die bei der Herstellung als Schablone dienen, gesteuert werden kann.
  • Die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen können dann mit einem polymeren Bindemittel, wie oben beschrieben, und einem Lösungsmittel kombiniert werden, um eine Aufschlämmung zu bilden, die auf ein Substrat, z.B. auf die erste und/oder die zweite Seite 42, 44 des Substrats 40, durch ein beliebiges geeignetes Verfahren aufgetragen oder auf andere Weise aufgebracht werden kann. Die Aufschlämmung kann zum Beispiel auf die erste und/oder die zweite Seite 42, 44 des Substrats 40 gestrichen oder gegossen werden. Danach kann die Aufschlämmung getrocknet werden, um das Lösungsmittel zu entfernen und/oder die Vernetzungs- oder Polymerisationsreaktion durch Erhitzen des Substrats 40, z.B. bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 30 °C bis ungefähr 140 °C für ungefähr 1 Minute bis ungefähr 2 Stunden, abzuschließen.
  • B. Positive Elektrode
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem ersten elektroaktiven Material gebildet sein, das einer ausreichenden Lithiuminterkalation und -deinterkalation unterzogen werden kann, während es als positiver Pol des Lithium-Ionen-Akkumulators 10, 100 dient. Die positive Elektrode 24 kann außerdem ein polymeres Bindematerial zur strukturellen Verstärkung des lithiumbasierten aktiven Materials und ein elektrisch leitendes Material umfassen. Eine beispielhafte gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithiumübergangsmetalloxide. Bei bestimmten Ausgestaltungen kann die positive Elektrode 24 beispielsweise Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1 ist, LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 ist, LiCoO2, Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1 sind, LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0<x<0,2, y < 0,2 und M Al, Mg oder Ti sind, LiFePO4, LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3 ist, LiNiCoAlO2, LiMPO4, wobei M Fe, Ni, Co und/oder Mn ist, Li(NixMnyCozAlp)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 ≤ P ≤ 1, x + y + z +p = 1 (NCMA) sind, LiNiMnCoO2, Li2FexM1-xPO4 (M = Mn und/oder Ni, 0 ≤ x ≤ 1), LiMn2O4, LiFeSiO4, LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC622), LiMnO2 (LMO), Aktivkohle, Schwefel (z.B. größer als 60 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der positiven Elektrode) oder Kombinationen davon umfassen.
  • Es ist hierin denkbar, dass das erste elektroaktive Material in partikulärer Form vorliegen und eine runde oder axiale Geometrie aufweisen kann. Der Begriff „axiale Geometrie“ bezieht sich auf Teilchen, die im Allgemeinen eine stabförmige, faserige oder anderweitig zylindrische Form mit einer klaren Längsachse oder längserstreckten Achse aufweisen. Im Allgemeinen wird ein Aspektverhältnis (AR) für zylindrische Formen (z.B. Faser oder Stab) definiert als AR = L/D, wobei L die Länge der längsten Achse und D der Durchmesser des Zylinders oder der Faser ist. Beispielhafte elektroaktive Materialteilchen mit axialer Geometrie, die für die Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, können ein hohes Aspektverhältnis aufweisen, das beispielsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 5.000 reicht. Bei bestimmten Abwandlungen umfassen die ersten elektroaktiven Materialteilchen mit einer axialen Geometrie Fasern, Drähte, Flocken, Fadenkristalle, Filamente, Röhren, Stäbe und dergleichen.
  • Der Begriff „runde Geometrie“ bezieht sich im Allgemeinen auf Teilchen mit einem geringeren Aspektverhältnis, z.B. einem näher an 1 liegenden Aspektverhältnis (z.B. weniger als 10). Es ist zu beachten, dass die Teilchengeometrie von einer wirklich runden Form abweichen kann und beispielsweise längliche oder ovale Formen, einschließlich abgeplatteter oder abgeflachter Sphäroide, agglomerierte Teilchen, polygonale (z.B. sechseckige) Teilchen oder andere Formen, die im Allgemeinen ein geringes Aspektverhältnis aufweisen, umfassen kann. Abgeflachte Sphäroide können scheibenförmig sein und ein relativ hohes Aspektverhältnis aufweisen. Somit ist eine allgemein runde Teilchengeometrie nicht auf relativ niedrige Aspektverhältnisse und sphärische Formen beschränkt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die positive Elektrode 24 optional ein elektrisch leitendes Material und/oder ein polymeres Bindemittel umfassen. Beispiele für elektrisch leitende Materialien umfassen unter anderem Ruß, Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanofasern, Graphen, Graphennanoplättchen, Graphenoxid, stickstoffdotierten Kohlenstoff, Metallpulver (z.B. Kupfer, Nickel, Stahl oder Eisen), Flüssigmetalle (z.B. Ga, GalnSn), ein leitfähiges Polymer (z.B. Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen) und Kombinationen davon. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Graphennanoplättchen“ auf ein Nanoplättchen oder einen Stapel von Graphenschichten. Ein solches elektrisch leitendes Material in partikulärer Form kann eine runde Geometrie oder eine axiale Geometrie wie oben beschrieben aufweisen.
  • Beispiele für geeignete polymere Bindemittel umfassen unter anderem Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitrilbutadienkautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Polyacrylsäure, Polyimid, Polyamid, Natriumalginat, Lithiumalginat und Kombinationen davon. Bei einigen Ausgestaltungen kann das polymere Bindemittel ein nichtwässriges Polymer auf Lösungsmittelbasis oder ein Polymer auf Wasserbasis sein. Insbesondere kann das polymere Bindemittel ein nichtwässriges Polymer auf Lösungsmittelbasis sein, das einen geringeren Kapazitätsschwund aufweisen, ein robusteres mechanisches Netzwerk und verbesserte mechanische Eigenschaften bereitstellen kann, um die Ausdehnung der Siliciumteilchen effektiver zu bewältigen, und eine gute chemische und thermische Beständigkeit besitzen kann. Das polymere Bindemittel kann beispielsweise Polyimid, Polyamid, Polyacrylnitril, Polyacrylsäure, ein Salz (z.B. Kalium, Natrium, Lithium) der Polyacrylsäure, Polyacrylamid, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose oder eine Kombination davon umfassen. Das erste elektroaktive Material kann mit dem elektrisch leitenden Material und/oder wenigstens einem polymeren Bindemittel vermischt sein. Zum Beispiel können das erste elektroaktive Material und optionale elektrisch leitende Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt und auf einen Stromkollektor aufgebracht sein. Polymere Bindemittel können in einer Elektrode mehrere Funktionen erfüllen, darunter: (i) Ermöglichen der elektronischen und ionischen Leitfähigkeit der Verbundelektrode, (ii) Bereitstellen der Intaktheit der Elektrode, z.B. der Intaktheit der Elektrode und ihrer Komponenten sowie ihrer Haftung am Stromkollektor, und (iii) Teilnehmen an der Bildung der Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI), die eine wichtige Rolle spielt, da die Kinetik der Lithiuminterkalation in erster Linie durch die SEI bestimmt wird.
  • Bei jeder beliebigen Ausgestaltung kann das erste elektroaktive Material in der positiven Elektrode in einer Menge von größer oder gleich ungefähr 50 Gew.-%, größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-%, größer oder gleich ungefähr 70 Gew%, größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-%, größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-%, größer oder gleich ungefähr 95 Gew.-% oder ungefähr 99 Gew.-% oder von ungefähr 50 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-%, ungefähr 70 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-% oder ungefähr 90 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-% vorliegen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der positiven Elektrode.
  • Zusätzlich oder alternativ können das elektrisch leitende Material und das polymere Bindemittel jeweils unabhängig voneinander in der positiven Elektrode in einer Menge von ungefähr 0,5 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%, ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 15 Gew.-% oder ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% vorliegen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der positiven Elektrode.
  • C. Stromkollektoren
  • Der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 kann aus Aluminium (AI) oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material, das dem Fachmann bekannt ist, gebildet sein. Der erste Stromkollektor 32 kann ein Metall umfassen, das Kupfer, Nickel oder deren Legierungen, rostfreien Stahl oder andere geeignete elektrisch leitende Materialien, die dem Fachmann bekannt sind, umfasst. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Stromkollektor 32 aus einer Überzugsschicht aus Kohlenstoff oder einer Überzugsverbundschicht aus Kohlenstoff und Metall (z.B. Silber (Ag), Aluminium (AI), Zink (Zn)), die eine Dicke von ungefähr 500 nm bis ungefähr 2 µm aufweist, gebildet sein oder ferner eine solche Schicht umfassen. Bei bestimmten Aspekten können der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 34 und/oder der erste Stromkollektor 32 in Form einer Folie, eines geschlitzten Netzes und/oder eines gewebten Netzes ausgeführt sein.
  • D. Optionale negative Elektrode 22
  • Wie in 2 dargestellt, kann eine optionale negative Elektrode 22 in dem Akkumulator 100 enthalten sein. Die negative Elektrode 22 umfasst ein zweites elektroaktives Material als Lithium-Wirtsmaterial, das als Minuspol eines Lithium-Ionen-Akkumulators dienen kann. Das zweite elektroaktive Material kann aus metallischem Lithium gebildet sein oder dieses umfassen. Es ist denkbar, dass das zweite elektroaktive Material das gesamte metallische Lithium (z.B. 100 Gew.-% Lithium, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten elektroaktiven Materials), umfassen oder aus diesem bestehen kann. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite elektroaktive Material eine Lithiumlegierung umfassen, wie z.B. unter anderem eine Lithium-Silicium-Legierung, eine Lithium-Aluminium-Legierung, eine Lithium-Indium-Legierung, eine Lithium-Zinn-Legierung oder Kombinationen davon. Die negative Elektrode 22 kann optional ferner eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Graphit, Aktivkohle, Ruß, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Graphen, Silicium, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliciumoxid, Titanoxid, Lithiumtitanat und Kombinationen davon, z.B. Silicium gemischt mit Graphit. Nicht einschränkende Beispiele für siliciumhaltige elektroaktive Materialien umfassen (amorphes oder kristallines) Silicium oder siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo und dergleichen. Bei anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein Metallfilm oder eine Metallfolie sein, z.B. ein Lithiummetallfilm oder eine lithiumhaltige Folie. Das zweite elektroaktive Material kann in partikulärer Form vorliegen und eine runde Geometrie oder eine axiale Geometrie wie oben beschrieben aufweisen.
  • Zusätzlich kann die negative Elektrode 22 optional ein elektrisch leitendes Material wie hierin beschrieben und/oder ein polymeres Bindemittel wie hierin beschrieben umfassen, das die strukturelle Intaktheit der Elektrode verbessert. Zum Beispiel können die zweiten elektroaktiven Materialien und elektronisch oder elektrisch leitenden Materialien mit derartigen Bindemitteln, wie z.B. Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (LiPAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Polyacrylsäure, Polyimid, Polyamid, Natriumalginat oder Lithiumalginat, aufgeschlämmt und auf einen Stromkollektor aufgebracht sein. Beispiele für elektrisch leitende Materialien umfassen unter anderem Ruß, Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanofasern, Graphen, Graphennanoplättchen, Graphenoxid, stickstoffdotierten Kohlenstoff, Metallpulver (z.B. Kupfer, Nickel, Stahl oder Eisen), Flüssigmetalle (z.B. Ga, GalnSn), ein leitfähiges Polymer (z.B. Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen) und Kombinationen davon.
  • Bei verschiedenen Aspekten kann das zweite elektroaktive Material in der negativen Elektrode in einer Menge von ungefähr 70 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-%, ungefähr 80 Gew.-% bis ungefähr 98 Gew.-%, ungefähr 90 Gew.-% bis ungefähr 99 Gew.-% oder ungefähr 95 Gew.-% bis ungefähr 98 Gew.-% vorliegen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der negativen Elektrode. Zusätzlich oder alternativ können das elektrisch leitende Material und das polymere Bindemittel jeweils unabhängig voneinander in der negativen Elektrode in einer Menge von ungefähr 0,5 Gew.-% bis ungefähr 15 Gew.-%, ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% oder ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-% vorliegen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der negativen Elektrode.
  • E. Elektrolyt
  • Die positive Elektrode 24, die optionale negative Elektrode 22 und der Separator 26 können jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 in ihren Poren umfassen, das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der positiven Elektrode 24 oder der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei er in fester, flüssiger oder gelierter Form, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen dem ersten Stromkollektor 32 und der positiven Elektrode 24 in dem Lithium-Ionen-Akkumulator 10 oder zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten, kann in dem Lithium-Ionen-Akkumulator 100 verwendet werden. Bei bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz umfasst, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst ist. In dem Lithium-Ionen-Akkumulator 10 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen 30 verwendet werden.
  • Bei bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze umfasst, das bzw. die in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln gelöst ist bzw. sind. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI), Lithium(triethylenglykoldimethylether)bis(trifluormethansulfonyl)imid (Li(G3) (TFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)azanid (LiTFSA) und Kombinationen davon.
  • Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sein, die unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z.B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstruktur-Ether (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan) umfassen. Ein oder mehrere Salze können in dem Elektrolyt in einer Konzentration (Mol Salz pro Liter Lösungsmittel) in einem Bereich von größer oder gleich ungefähr 1 M, größer oder gleich ungefähr 2 M, größer oder gleich ungefähr 3 M oder ungefähr 4 M oder von ungefähr 1 M bis ungefähr 4 M, ungefähr 1 M bis 2 M, ungefähr 2 M bis ungefähr 4 M oder ungefähr 3 M bis ungefähr 4 M vorliegen. Bei jeder beliebigen Ausgestaltung kann der Elektrolyt eine höhere Salzkonzentration aufweisen, z.B. 3 M bis ungefähr 4 M, was ferner zu einer homogenen Verteilung der Lithiumionen, z.B. in den Poren 65 und den Zwischenräumen 67, an der ersten Fläche 65 des ersten Stromkollektors 32 oder an der zweiten Fläche 23 der negativen Elektrode 22 beitragen kann, wodurch eine Dendritenbildung verhindert wird. Darüber hinaus kann, wie oben erörtert, eine größere Menge des Elektrolyten in die Poren 65 und Zwischenräume 67 zwischen den Keramikteilchen 60 eindringen und diese durchtränken, um eine höhere Ionenleitfähigkeit zu erreichen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann der Elektrolyt Zusatzstoffe umfassen, die z.B. die Temperatur- und Spannungsstabilität der Materialien der elektrochemischen Zellen (z.B. Elektrolyt 30, negative Elektrode 22 und positive Elektrode 24) erhöhen können. Beispiele für geeignete Zusatzstoffe umfassen unter anderem Vinylcarbonat, Vinyl-Ethylen-Carbonat, Propansulfonat und Kombinationen davon. Weitere Zusatzstoffe können Verdünnungsmittel, die nicht mit Lithiumionen koordinieren, aber die Viskosität verringern können, wie z.B. Bis(2,2,2-trifluorethyl)ether (BTFE), und Flammschutzmittel, wie z.B. Triethylphosphat, umfassen.
  • 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 (10)

  1. Separator für eine lithiumhaltige elektrochemische Zelle, umfassend: ein poröses Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und eine Überzugsschicht, die an wenigstens die erste Seite des porösen Substrats angrenzt, wobei die Überzugsschicht dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen umfasst.
  2. Separator nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: (i) die Überzugsschicht weist eine Dicke von kleiner oder gleich ungefähr 10 µm oder ungefähr 2 µm bis ungefähr 8 µm auf und (ii) die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen weisen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von kleiner ungefähr 500 nm oder ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm auf.
  3. Separator nach Anspruch 1, wobei die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen Al2O3, ZrO2, γ-AlO(OH),MgO, Mg(OH)2 oder eine Kombination davon umfassen.
  4. Separator nach Anspruch 1, wobei das poröse Substrat ein Verbundmaterial, ein Polymermaterial, ein Vliesmaterial oder eine Kombination davon umfasst.
  5. Elektrochemische Zelle, umfassend: eine positive Elektrode, die ein erstes elektroaktives Material umfasst, einen ersten Stromkollektor, wobei die positive Elektrode von dem ersten Stromkollektor beabstandet ist, einen Separator, umfassend: ein poröses Substrat mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite und eine Überzugsschicht, die an wenigstens die erste Seite des porösen Substrats angrenzt, wobei die Überzugsschicht dreidimensional (3D) angeordnete poröse Keramikteilchen umfasst, wobei der Separator zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der positiven Elektrode und des ersten Stromkollektors angeordnet ist und die Überzugsschicht angrenzend an den ersten Stromkollektor angeordnet ist, und einen flüssigen Elektrolyt, der in eines oder mehrere der folgenden Elemente eindringt: positive Elektrode oder Separator.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: (i) die Überzugsschicht weist eine Dicke von kleiner oder gleich ungefähr 10 µm oder ungefähr 2 µm bis ungefähr 8 µm auf und (ii) die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen weisen einen durchschnittlichen Porendurchmesser von kleiner ungefähr 500 nm oder ungefähr 100 nm bis ungefähr 200 nm auf.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei die 3D angeordneten porösen Keramikteilchen Al2O3, ZrO2, γ-AlO(OH),MgO, Mg(OH)2 oder eine Kombination davon umfassen.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei der Elektrolyt ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel umfasst, wobei die Lithiumsalzkonzentration größer oder gleich ungefähr 2 M oder ungefähr 3 M bis ungefähr 4 M ist, und wobei das erste elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1 ist, LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5 ist, LiCoO2; Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1 sind, LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M Al, Mg oder Ti sind, LiFePO4, LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3 ist, LiNiCoAlO2, LiMPO4, wobei M Fe, Ni, Co und/oder Mn ist, Li(NixMnyCozAlp)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 ≤ P ≤ 1, x + y + z + p = 1 (NCMA) sind, LiNiMnCoO2, Li2FexM1-xPO4, wobei M Mn und/oder Ni und 0 ≤ x ≤ 1 sind, LiMn2O4, LiFeSiO4, LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC622), LiMnO2 (LMO), Aktivkohle, Schwefel und einer Kombination davon.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei eine negative Elektrode nicht vorhanden ist.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, die ferner eine negative Elektrode umfasst, die ein zweites elektroaktives Material umfasst, wobei die negative Elektrode zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Überzugsschicht des Separators und des ersten Stromkollektors vorhanden ist, wobei das zweite elektroaktive Material Lithium, eine Lithium-Silicium-Legierung, eine Lithium-Aluminium-Legierung, eine Lithium-Indium-Legierung, eine Lithium-Zinn-Legierung, Graphit, Aktivkohle, Ruß, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Graphen, Silicium, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Germanium, Siliciumoxid, Titanoxid, Lithiumtitanat und eine Kombination davon umfasst.
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