DE102022110692A1 - Lithiierungsadditiv für eine positive elektrode - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle enthält eine positive Elektrode und eine negative Elektrode. Die positive Elektrode enthält ein positives elektroaktives Material und ein Lithiierungsadditiv, das mit dem positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Das Lithiierungsadditiv enthält ein lithiumhaltiges Material und ein oder mehrere Metalle. Das lithiumhaltige Material ist durch LiX repräsentiert, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist. Das eine oder die mehreren Metalle sind ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus: Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon. Die negative Elektrode kann ein volumenexpandierendes negatives elektroaktives Material enthalten.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
  • Herkömmliche wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Solche Lithiumionen-Batterien können bei Bedarf eine zugehörige Lastvorrichtung reversibel mit Strom versorgen. Genauer gesagt kann eine Lastvorrichtung von der Lithiumionen-Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode effektiv erschöpft ist. Die Batterie kann dann wieder aufgeladen werden, indem ein geeigneter elektrischer Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden durchgeleitet wird.
  • Während der Entladung kann die negative Elektrode eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen oxidiert wird, die Elektronen freisetzen. Lithiumionen können von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode wandern, z.B. durch die ionisch leitende Elektrolytlösung, die in den Poren eines dazwischen befindlichen porösen Separators enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen werden. Die Batterie kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umgekehrt werden.
  • In verschiedenen Fällen verbleibt jedoch ein Teil des eingelagerten Lithiums nach dem ersten Zyklus bei der negativen Elektrode, z.B. aufgrund von Umwandlungsreaktionen und/oder der Bildung einer Festelektrolyt-Phasengrenzflächen (SEI)-Schicht auf der negativen Elektrode während des ersten Zyklus sowie eines fortlaufenden Lithiumverlusts, z.B. aufgrund eines Bruchs der durchgehenden Festelektrolyt-Phasengrenzfläche. Ein solcher permanenter Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie führen, z.B. durch zusätzliche positive Elektrodenmasse, die nicht am reversiblen Betrieb der Batterie beteiligt ist. Beispielsweise kann die Lithiumionen-Batterie nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 30 %, und im Falle von siliciumhaltigen negativen Elektroden oder anderen volumenexpandierenden negativen elektroaktiven Materialien (z.B. Zinn (Sn), Aluminium (AI), Germanium (Ge)) nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 20 % bis weniger als oder gleich etwa 40 % aufweisen.
  • Zu den gängigen Verfahren, den Lithiumverlust des ersten Zyklus zu kompensieren, gehören z.B. elektrochemische Verfahren, bei denen eine siliciumhaltige Anode mit einem Elektrolytbad lithiiert wird. Solche Prozesse sind jedoch anfällig für Elektrolytverschmutzung und damit für Instabilität. Ein weiteres Kompensationsverfahren ist z.B. die zelleninterne Lithiierung, bei der einer Zelle Lithium zugefügt wird. Solche Prozesse erfordern jedoch den Einsatz von Gitter-Stromkollektoren, die hohe Materialkosten sowie Beschichtungskosten verursachen. Ein weiteres Kompensationsverfahren umfasst z.B. die Abscheidung (z.B. Sprühen oder Extrudieren oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)) von Lithium auf einer Anode oder einem Anodenmaterial. In solchen Fällen ist es jedoch schwierig (und kostspielig), gleichmäßig abgeschiedene Lithiumschichten herzustellen. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektroden und elektroaktive Materialien sowie Verfahren zu deren Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Lithiierungsadditive zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, z.B. in der positiven Elektrode und gemischt mit dem positiven elektroaktiven Material, sowie auf Verfahren zu deren Verwendung.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Lithiierungsadditiv für eine positive Elektrode bereit. Das Lithiierungsadditiv kann ein lithiumhaltiges Material und ein oder mehrere Metalle enthalten. Das lithiumhaltige Material kann durch LiX repräsentiert werden, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist. Das eine oder die mehreren Metalle können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Lithiierungsadditiv mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metalle enthalten.
  • In einem Aspekt kann die positive Elektrode mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Lithiierungsadditivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material Lithiumfluorid (LiF) sein, und das eine oder die mehreren Metalle können Eisen (Fe) enthalten.
  • In einem Aspekt kann die positive Elektrode ein positives elektroaktives Material enthalten, und das Lithiierungsadditiv kann mit dem positiven elektroaktiven Material gemischt sein.
  • In einem Aspekt kann das positive elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 611, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine positive elektroaktive Materialschicht zur Verfügung. Die Schicht aus positivem elektroaktivem Material kann ein positives elektroaktives Material und ein Lithiierungsadditiv enthalten, das mit dem positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Das Lithiierungsadditiv kann ein lithiumhaltiges Material und ein oder mehrere Metalle enthalten. Das lithiumhaltige Material kann durch LiX dargestellt werden, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist.
  • In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Metalle aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Lithiierungsadditiv mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metalle enthalten.
  • In einem Aspekt kann die positive Elektrode mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Lithiierungsadditivs enthalten.
  • In einem Aspekt kann das positive elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 611, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material Lithiumfluorid (LiF) sein, und das eine oder die mehreren Metalle können Eisen (Fe) enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine positive Elektrode enthalten. Die positive Elektrode kann ein positives elektroaktives Material und ein Lithiierungsadditiv enthalten, das mit dem positiven elektroaktiven Material vermischt ist. Das Lithiierungsadditiv kann ein lithiumhaltiges Material und ein oder mehrere Metalle enthalten. Das lithiumhaltige Material kann durch LiX dargestellt werden, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist.
  • In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Metalle aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann das Lithiierungsadditiv mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metalle enthalten.
  • In einem Aspekt enthält die positive Elektrode mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Lithiierungsadditivs.
  • In einem Aspekt kann das positive elektroaktive Material aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 611, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem eine negative Elektrode enthalten. Die negative Elektrode enthält ein negatives elektroaktives Material.
  • In einem Aspekt kann das negative elektroaktive Material ein volumenexpandierendes negatives elektroaktives Material sein.
  • In einem Aspekt kann das lithiumhaltige Material Lithiumfluorid (LiF) sein, und das eine oder die mehreren Metalle umfasst bzw. umfassen Eisen (Fe).
  • Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • Figurenliste
  • Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle; und
    • 2 ist eine graphische Darstellung der Entlade- und Ladekapazitäten für eine beispielhafte Batteriezelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.
  • Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ 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 verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten 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 Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
  • Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden 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, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier 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 dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten 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. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als 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 Unterbereiche.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Eine typische Lithiumionen-Batterie umfasst eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode oder Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Elektrode oder Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Lithiumionen-Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen (oder Natriumionen im Falle von Natriumionen-Batterien und dergleichen) geeignet und kann in flüssiger, Gel- oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt.
  • Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
  • Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 durch einen Festkörperelektrolyten gebildet werden. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein (nicht abgebildet).
  • Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angebracht sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negative Elektrode 22 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
  • Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
  • In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien, die Festkörperelektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die einen anderen Aufbau haben können, wie Fachleuten bekannt ist.
  • Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
  • Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (zum Beispiel > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In der Lithiumionen-Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Lösungen mit Elektrolyt 30 verwendet werden.
  • In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöste Lithiumsalze enthält. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF3SO2)2), Lithium-bis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen davon.
  • Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, 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 (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
  • Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
  • Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
  • In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem eine oder mehrere keramische Materialien und ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Siliciumdioxid (SiO2) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
  • Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm. Der Separator 26 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm haben.
  • In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der im porösen Separator 26 befindliche Elektrolyt 30 gemäß Darstellung in 1 durch eine Festkörperelektrolyt („SSE“)-Schicht (nicht gezeigt) ersetzt werden, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht erleichtert den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Festkörperelektrolytschicht eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten, wie LiTi2(PO4)3, LiGe2(PO4)3, Li7La3Zr2012, Li3xLa2/3-xTiO3, Li3PO4, Li3N, Li4GeS4, Li10GeP2S12, Li2S-P2S5, Li6PS5Cl, Li6PS5Br, Li6PS5I, Li3OCl, Li2,99Ba0,005ClO oder Kombinationen davon. Bei den Festkörperelektrolytteilchen kann es sich um nanometergroße Festkörperelektrolytteilchen auf Oxidbasis handeln. In noch anderen Variationen können der poröse Separator 26 und/oder der Elektrolyt 30 in 1 durch einen Gelelektrolyten ersetzt werden.
  • Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial (oder einem aktiven Material auf Natriumbasis im Falle von Natriumionen-Batterien) gebildet sein, das als negativer Pol der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (mit der einen oder den mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die negative Elektrode 22 (mit der einen oder den mehreren Schichten) kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
  • Die negative Elektrode 22 kann ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode aus einem Film oder einer Schicht aus Lithiummetall bestehen. Es können auch andere Materialien zur Bildung der negativen Elektrode 22 verwendet werden, z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle), und/oder Lithium-Silicium, siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen, und/oder zinnhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiOx(mit 0 ≤ x ≤ 2), Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo, SnO2 und dergleichen), und/oder andere volumenvergrößernde Materialien (z.B. Aluminium (Al), Germanium (Ge), Zinn (Sn)). In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise ein Verbundmaterial auf Kohlenstoff-Silicium-Basis enthalten, das z.B. etwa 10 Gew.-% SiOx (wobei 0 ≤ x ≤ 2) und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält. Das negative elektroaktive Material kann ein Verbundmaterial auf Kohlenstoff-Silicium-Basis enthalten, das z.B. 10 Gew.-% SiOx(wobei 0 ≤ x ≤ 2) und 90 Gew.-% Graphit enthält.
  • In bestimmten Variationen kann das oder können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das oder können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional vermischt werden mit Bindemitteln wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), einem Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis (oder einem aktiven Material auf Natriumbasis im Falle von Natriumionen-Batterien) gebildet werden, das in der Lage ist, Lithiumeinlagerung und -auslagerung, Legierung und De-Legierung oder Plattierung und Ablösung zu erfahren, während es als positiver Pol der Batterie 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein (nicht gezeigt). Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. Die positive Elektrode 24 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die positive Elektrode 24 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm.
  • Eine beispielhafte gemeinsame Klasse von bekannten Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie Lithium-Manganoxid (Li(1+x)Mn2O4, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (NMC) (z.B. LiMn1,5Ni0,5O4); ein oder mehrere Materialien mit Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(NixMnyCoz)O2, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1) (z.B. LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi(1-x-y)CoxMyO2, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M Al, Mg, Ti oder dergl. sein kann); oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) (LFP), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn2-xFexPO4, wobei 0 < x < 0,3) (LFMP) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li2FePO4F). In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 811, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
  • Wie oben beschrieben, kann die negative Elektrode 22 während der Entladung eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Lithiumionen können von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24 wandern, z.B. durch den ionisch leitend Elektrolyten 30, der in den Poren eines dazwischen befindlichen porösen Separators 26 enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis 40 von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode 22 eingebaut werden. Die Batterie 20 kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umgekehrt werden.
  • In bestimmten Fällen, insbesondere bei volumenexpandierenden negativen elektroaktiven Materialien (z.B. Aluminium (Al), Germanium (Ge), Zinn (Sn)), verbleibt jedoch häufig ein Teil des eingelagerten Lithiums bei der negativen Elektrode 22. Zum Beispiel als Ergebnis von Umwandlungsreaktionen und/oder der Bildung von LixSi und/oder einer Festelektrolyt-Phasengrenzflächen (solid electrolyte interphase bzw. SEI)-Schicht (nicht gezeigt) auf der negativen Elektrode 22 während des ersten Zyklus, sowie fortlaufendem Lithiumverlust, z.B. durch fortlaufenden Bruch und Wiederaufbau der Festelektrolyt-Phasengrenzfläche (SEI). Auf der Oberfläche der negativen Elektrode 22 kann sich die Festelektrolyt-Phasengrenzflächen (SEI)-Schicht bilden, die oft durch Reaktionsprodukte von Anodenmaterialien (z.B. negative elektroaktive Materialien), Elektrolytreduktion und/oder Lithiumionenreduktion entsteht. Dieser permanente Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie 20 führen. Zum Beispiel kann die Batterie 20 nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 30 % aufweisen.
  • Eine Lithiierung, z.B. eine Vorlithiierung der elektroaktiven Materialien vor dem Einbau in die Batterie 20, kann solche Lithiumverluste während des Zyklusbetriebs kompensieren. Zum Beispiel kann eine Menge an vorlithiiertem Lithium zusammen mit einem geeigneten Verhältnis von Kapazität der negativen Elektrode und/oder Kapazität der positiven Elektrode (N/P-Verhältnis) verwendet werden, um das elektrochemische Potential innerhalb eines geeigneten Fensters zu steuern, um die Zyklenstabilität der Batterie 20 zu verbessern. Die Vorlithiierung kann das Potential für siliciumhaltige Elektroden herabsetzen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Lithiierung von Silicium durch direkte Reaktion wie folgt ausgedrückt werden: 4,4x Li + Si → Li4,4xSi, wobei 0 ≤ x ≤ 1, während sie für die elektrochemische Lithiierung von Silicium als 4,4x Li+ + 4,4x e- + Si → Li4,4xSi ausgedrückt werden kann. In jedem Fall kann das reservierte Lithium den Lithiumverlust während des Zyklus kompensieren, auch während des ersten Zyklus, um den Kapazitätsverlust im Laufe der Zeit zu verringern.
  • Gängige Lithiierungsverfahren wie elektrochemische Verfahren, Direktkontakt und Laminierungsverfahren erfordern jedoch häufig die Herstellung und das Zerlegen von Halbzellen und/oder chemische Prozesse bei hohen Temperaturen. Außerdem kann es schwierig sein, das Ausmaß der Lithiierung zu kontrollieren, die bei diesen Prozessen auftritt. Außerdem sind diese Prozesse oft mit hochreaktiven Chemikalien verbunden und erfordern zusätzliche Fertigungsschritte. Dies können zeitaufwendige und potenziell teure Prozesse sein. Außerdem entstehen bei solchen Prozessen häufig nicht bearbeitbare Materialien, zum Beispiel Anoden mit unerwünschten Dicken. Die vorliegende Offenbarung stellt ein Lithiierungsadditiv und Verfahren zu dessen Verwendung bereit, die dazu beitragen können, diese Herausforderungen zu bewältigen.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise zusätzlich ein Lithiierungsadditiv (nicht dargestellt) enthalten, das ein Lithiumreservoir in der Zelle 20 bildet oder als solches dient. Das Lithiierungsadditiv kann sowohl die Zykluslebensdauer als auch die Energiedichte verbessern. In verschiedenen Aspekten kann das Lithiierungsadditiv eine Mischung aus einem lithiumhaltigen Material und einem oder mehreren Metallteilchen sein. Beispielsweise kann das Lithiierungsadditiv mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metallteilchen enthalten. Das Lithiierungsadditiv kann mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials und mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metallteilchen enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann das lithiumhaltige Material durch LiX dargestellt werden, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist. Die ein oder mehreren Metallteilchen (M) können Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) oder eine Kombination davon umfassen. In bestimmten Variationen kann das Lithiierungsadditiv (z.B. LiF/Fe) mit dem positiven elektroaktiven Material (z.B. NCM 622) gemischt werden, um eine Aufschlämmung zu bilden, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet und in bestimmten Variationen getrocknet wird, um die positive Elektrode 24 zu bilden.
  • Während des ersten oder anfänglichen Zellenzyklus reagiert das Lithiierungsadditiv und setzt Lithium in den Zellen frei. Wenn das Lithiierungsadditiv beispielsweise Lithiumfluorid als lithiumhaltiges Material und Eisen als Metallteilchen enthält, können in bestimmten Variationen eine oder beide der folgenden Reaktionen stattfinden: 3 LiF + Fe →2 Li+ + 2 e- + LiFeF3 (I) LiFeF3 → FeF3 + e- + Li+ (II)
  • Insbesondere kann die erste Reaktion auftreten, wenn ein Potential von 2,1 V (gegen Li/Li+) erreicht wird, und die zweite Reaktion kann auftreten, wenn ein Potential von 3,4 V (gegen Li/Li+) erreicht wird. Wie dargestellt, werden in jedem Fall Lithiumionen (Li+) in die Umgebung der Zelle freigesetzt.
  • Das Ausmaß der Vorlithiierung kann durch Variation der Menge des Lithiierungsadditivs in der positiven Elektrode 24 gesteuert werden. In bestimmten Variationen kann beispielsweise die Verdopplung der Menge des Lithiierungsadditivs in der positiven Elektrode 24 die Kapazität verdoppeln, die sich aus dem Lithiierungsadditiv ergibt, wodurch sich der Grad der Vorlithiierung in der negativen Elektrode 22 ändert. In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, des Lithiierungsadditivs enthalten. Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 15 Gew.-%, des Lithiierungsadditivs enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann die Aufnahme des Lithiierungsadditivs in die positive Elektrode 24 zu einer Gewichtsreduzierung der Batterie 20 beitragen. So kann beispielsweise Graphit (4,4 mAh/cm2) als negatives elektroaktives Material in der negativen Elektrode 22 verwendet werden. In solchen Fällen können 1,43 mg eines Lithiierungsadditivs (z.B. LiF/Fe) in die Batterie 20 eingebracht werden, um den Kapazitätsverlust im ersten Zyklus gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu kompensieren, während 3,03 mg NMC622 erforderlich wären, um den gleichen Kapazitätsverlust auszugleichen, was eine Gewichtsreduzierung bedeutet.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann das positive elektroaktive Material bzw. können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 in bestimmten Variationen optional mit einem elektronisch leitenden Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial bereitstellt, das die strukturelle Integrität der Elektrode 24 verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 optional mit Bindemitteln vermischt werden (z.B. im Schlickerguss), wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KETJEN™-Ruß oder DEN-KA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, des Lithiierungsadditivs; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 15 Gew.-%, des Lithiierungsadditivs; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Schaffung eines Lithiumreservoirs in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wie der in 1 dargestellten Batterie 20, bereit. Zum Beispiel kann das Verfahren die Bildung einer positiven Elektrode beinhalten. Wie oben beschrieben, enthält die positive Elektrode unter anderem ein positives elektroaktives Material und ein Lithiierungsadditiv. Die Bildung der positiven Elektrode kann die Herstellung einer Aufschlämmung umfassen, die das positive elektroaktive Material und das Lithiierungsadditiv sowie andere Kathodenmaterialien (z.B. Elektrolyt, Bindemittel und/oder elektronisch leitendes Material) enthält, und das Aufbringen oder Gießen der Aufschlämmung auf eine oder mehrere Oberflächen eines Stromkollektors für die positive Elektrode (z.B. wie der in 1 dargestellte Stromkollektor 34) für die positive Elektrode. In bestimmten Variationen kann die Bildung der positiven Elektrode das Trocknen der Aufschlämmung beinhalten, die auf dem Stromkollektor der positiven Elektrode angeordnet oder aufgetragen ist.
  • In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren auch den Zusammenbau der Batterie umfassen. Beispielsweise kann die positive Elektrode, die das positive elektroaktive Material enthält, im Wesentlichen mit einer negativen Elektrode ausgerichtet sein (z.B. wie der in 1 dargestellten negativen Elektrode 22). Wie bereits erwähnt, kann die negative Elektrode ein siliciumhaltiges negatives elektroaktives Material enthalten. In bestimmten Variationen kann das Verfahren vor dem Zusammenbau der Batterie das Aufschlämmen eines negativen elektroaktiven Materials und anderer Anodenmaterialien (z.B. Elektrolyt, Bindemittel und/oder elektronisch leitendes Material) auf eine oder mehrere Oberflächen eines Stromkollektors einer negativen Elektrode (z.B. wie des in 1 dargestellten Stromkollektors 32 der negativen Elektrode) umfassen. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie ein Verhältnis von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium (N/P) von größer oder gleich etwa 1 bis kleiner oder gleich etwa 5 aufweisen. Die Batterie kann ein Verhältnis von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium (N/P) von größer oder gleich 1 bis kleiner oder gleich 5 aufweisen.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren auch den Zyklusbetrieb der zusammengesetzten Batterie umfassen. Das Verfahren kann beispielsweise das Laden der Batterie bis zu einem ersten vorbestimmten Spannungsfenster und das anschließende Entladen der Batterie bis zu einem zweiten vorbestimmten Spannungsfenster umfassen, wobei das zweite Spannungsfenster kleiner als das erste Spannungsfenster ist. Das erste Spannungsfenster kann beispielsweise größer oder gleich etwa 1,5 V bis kleiner oder gleich etwa 4,6 V und in bestimmten Fällen optional etwa 4,2 V sein. Das erste Spannungsfenster kann größer als oder gleich 1,5 V bis kleiner als oder gleich 4,6 V und in bestimmten Aspekten optional 4,2 V betragen. Das zweite Spannungsfenster kann größer als oder gleich etwa 2,5 V bis kleiner als oder gleich etwa 4,3 V, optional etwa 3,2 V und in bestimmten Fällen optional etwa 3,0 V sein. Das zweite Spannungsfenster kann größer als oder gleich 2,5 V bis kleiner als oder gleich 4,3 V, optional 3,2 V und in bestimmten Aspekten optional 3,0 V sein. Bei solchen Spannungsänderungen verbleibt ein Teil der Kapazität als Lithiumreservoir bei der negativen Elektrode.
  • Die Batterie mit dem Lithiumreservoir kann anschließend zyklisch betrieben werden. Ein Betriebsspannungsfenster der Batterie kann größer oder gleich etwa 2,5 V bis kleiner oder gleich etwa 4,5 V sein, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 3,0 V bis kleiner oder gleich etwa 4,2 V. Das Betriebsspannungsfenster der Batterie kann größer als oder gleich 2,5 V bis kleiner als oder gleich 4,5 V und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 3,0 V bis kleiner als oder gleich 4,2 V sein.
  • Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden im folgenden nicht einschränkenden Beispiel näher erläutert.
  • Beispiel
  • Eine beispielhafte Zelle kann in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Die beispielhafte Zelle kann zum Beispiel eine negative Elektrode enthalten, die ein negatives elektroaktives Material (z.B. Graphit) umfasst, das im Wesentlichen mit einer positiven Elektrode ausgerichtet ist, die ein positives Elektrodenmaterial (z.B. NMC622) und ein Lithiierungsadditiv umfasst, wobei das Lithiierungsadditiv ein lithiumhaltiges Material (z.B. Lithiumfluorid (LiF)) und ein oder mehrere Metalle (z.B. Eisen (Fe)) enthält.
  • 2 ist eine graphische Darstellung, die sowohl die Entladekapazität 210 als auch die Ladekapazität 220 der beispielhaften Zelle zeigt, wobei die x-Achse 200 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 202 die Spannung (V) ist. Wie dargestellt, wird während des ersten Ladevorgangs 220 Kapazität freigesetzt, während des Entladevorgangs 210 jedoch keine Kapazität freigesetzt, was darauf hindeutet, dass alle während des Ladevorgangs freigesetzten Lithiumionen auf die negative Elektrode übertragen wurden, um die negative Elektrode vorzulithiieren.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims (10)

  1. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine positive Elektrode, die enthält: ein positives elektroaktives Material; und ein Lithiierungsadditiv, das mit dem positiven elektroaktiven Material vermischt ist, wobei das Lithiierungsadditiv ein durch LiX repräsentiertes lithiumhaltiges Material, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Fluor (F), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist, und ein oder mehrere Metalle umfasst.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Metalle ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus: Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Cobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Lithiierungsadditiv umfasst: mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des lithiumhaltigen Materials; und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des einen oder der mehreren Metalle.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die positive Elektrode mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% des Lithiierungsadditivs enthält.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das positive elektroaktive Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 611, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle ferner umfasst: eine negative Elektrode, die ein negatives elektroaktives Material enthält.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei das negative elektroaktive Material ein volumenexpandierendes negatives elektroaktives Material ist.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei das negative elektroaktive Material ein kohlenstoffhaltiges negatives elektroaktives Material ist.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das lithiumhaltige Material Lithiumfluorid (LiF) ist und das eine oder die mehreren Metalle Eisen (Fe) umfasst bzw. umfassen.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei X Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ist.
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