DE102022111248A1 - Festkörper-Zwischenschicht für Festkörperbatterie - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle eine Elektrode, eine Festkörperelektrolytschicht und eine zwischen der Elektrode und der Festkörperelektrolytschicht angeordnete Festkörper-Zwischenschicht umfasst. Die Festkörper-Zwischenschicht enthält eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen. In bestimmten Fällen enthält die Festkörper-Zwischenschicht eine Vielzahl von darin verteilten Durchgangslöchern. Die Durchgangslöcher haben einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen etwa 0,05 µm und etwa 100 µm. Die Festkörper-Zwischenschicht bedeckt zwischen etwa 50 % und etwa 100 % der Gesamtoberfläche der Elektrode. In jeder Variation hat die Festkörper-Zwischenschicht eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm, und die elektrochemische Zelle kann einen polymeren Gelelektrolyten enthalten, der die Hohlräume zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen und den Festkörperelektrolytteilchen zumindest teilweise ausfüllt.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen, wie z.B. Lithiumionen-Batterien, können in einer Vielzahl von Produkten eingesetzt werden, u.a. in Produkten der Automobilindustrie, wie z.B. in Start-Stopp-Systemen (z.B. 12V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen („µBAS“), Hybrid-Elektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten zwei Elektroden und eine Elektrolytkomponente 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. Lithiumionen-Batterien können auch verschiedene Anschluss- und Gehäusematerialien enthalten. Wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und hergeleitet 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. 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 Form, in flüssiger Form oder in Form eines Festkörper-Flüssigkeit-Hybrids vorliegen. In den Fällen von Festkörperbatterien, die eine zwischen Festkörperelektroden angeordnete Festkörperelektrolytschicht enthalten, trennt der Festkörperelektrolyt die Festkörperelektroden physisch, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
  • Freistehende Festkörperelektrolyte ermöglichen einen schnellen (z.B. mehr als etwa 0,01 mS/cm) Ionentransport bei niedrigen Temperaturen (z.B. etwa - 18°C) und eine hohe Zyklenbeständigkeit (z.B. mindestens 70 % Kapazitätserhaltung für mehr als etwa 500 Zyklen) bei Raumtemperatur (z.B. etwa 25°C), weisen jedoch häufig eine schlechte Oxidationsstabilität bei höheren Temperaturen (z.B. mehr als etwa 30°C) und einen parasitären Strom auf Mikroampere-Niveau während der Voltammetrie bei linearem Wobbeln (linear sweeping voltammetry) auf, was auf die elektrochemische Instabilität bestimmter funktioneller Polymergruppen (z.B. der CN-Gruppe) in dem freistehenden Festkörperelektrolyten zurückzuführen ist. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Materialien und Verfahren zur Verbesserung der Grenzflächenkompatibilität zwischen Festkörperelektrolytschichten und den angrenzenden Elektroden zu entwickeln.
  • 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 Festkörperbatterien und Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Festkörper-Zwischenschichten, die zwischen einem Festkörperelektrolyten und einer oder mehreren benachbarten Elektroden angeordnet sind.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle eine Elektrode, eine Festkörperelektrolytschicht und eine Festkörper-Zwischenschicht umfasst, die zwischen der Elektrode und der Festkörperelektrolytschicht angeordnet ist. Die Elektrode kann eine Vielzahl von elektroaktiven Festkörperteilchen enthalten. Die Festkörper-Zwischenschicht kann eine Vielzahl von ersten Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Festkörper-Zwischenschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm haben.
  • In einem Aspekt können die ersten Festkörperelektrolytteilchen aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4,), Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, Lil, Li3lnCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdl4, Li2Znl4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6, Li2B4O7, Li2OB2O3-P2O5 und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die Elektrode eine Vielzahl von zweiten Festkörperelektrolytteilchen enthalten.
  • In einem Aspekt können die zweiten Festkörperelektrolytteilchen die gleichen sein wie die ersten Elektrolytteilchen.
  • In einem Aspekt kann die Festkörperelektrolytschicht eine Vielzahl von zweiten Elektrolytteilchen enthalten, wobei sich die zweiten Elektrolytteilchen von den ersten Elektrolytteilchen unterscheiden.
  • In einem Aspekt kann die Festkörperelektrolytschicht außerdem einen polymeren Gelelektrolyten enthalten. Der polymere Gelelektrolyt kann zumindest teilweise Hohlräume zwischen den zweiten Elektrolytteilchen ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann die Festkörperelektrolytschicht eine freistehende Membran sein, die durch ein Polymergel gebildet ist. Die freistehende Membran kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben.
  • In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem einen polymeren Gelelektrolyten enthalten. Der polymere Gelelektrolyt kann zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann der polymere Gelelektrolyt zumindest teilweise Hohlräume zwischen den ersten Festkörperelektrolytteilchen ausfüllen.
  • In einem Aspekt kann die Festkörper-Zwischenschicht mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtoberfläche einer Oberfläche der Elektrode bedecken, die der Festkörperelektrolytschicht gegenüberliegt.
  • In einem Aspekt kann die Festkörper-Zwischenschicht eine Vielzahl von darin verteilten Durchgangslöchern enthalten.
  • In einem Aspekt können die Durchgangslöcher einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.
  • In einem Aspekt kann die Festkörper-Zwischenschicht mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der Gesamtoberfläche einer Oberfläche der Elektrode bedecken, die der Festkörperelektrolytschicht gegenüberliegt.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnete Festkörperelektrolytschicht und eine zwischen der ersten Elektrode und der Festkörperelektrolytschicht angeordnete Festkörper-Zwischenschicht umfasst. Die erste Elektrode kann eine Vielzahl von ersten elektroaktiven Festkörperteilchen enthalten. Die zweite Elektrode kann eine Vielzahl von zweiten elektroaktiven Festkörperteilchen enthalten. Die Festkörper-Zwischenschicht kann eine Vielzahl von ersten Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Festkörper-Zwischenschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm haben.
  • In einem Aspekt kann die Festkörper-Zwischenschicht eine erste Festkörper-Zwischenschicht sein, und die elektrochemische Zelle kann außerdem eine zweite Festkörper-Zwischenschicht enthalten, die zwischen der zweiten Elektrode und der Festkörperelektrolytschicht angeordnet ist. Die zweite Festkörper-Zwischenschicht kann eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Der zweite Festkörper kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm haben.
  • In einem Aspekt können die ersten und zweiten Festkörperelektrolytteilchen unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4,), Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3,3La0,53TiO3, LiSr1.65Zr1.3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, Lil, Li3InCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2Znl4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6, Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon.
  • In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem ein polymeres Gelsystem enthalten. Das polymere Gelsystem kann zumindest teilweise Hohlräume zwischen den ersten elektroaktiven Festkörperteilchen, den ersten Festkörperelektrolytteilchen, den zweiten elektroaktiven Festkörperteilchen und den zweiten Festkörperelektrolytteilchen füllen.
  • In einem Aspekt kann die erste Festkörper-Zwischenschicht mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % einer Gesamtoberfläche einer Oberfläche der ersten Elektrode gegenüber der Festkörperelektrolytschicht bedecken, und die zweite Festkörper-Zwischenschicht kann mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % einer Gesamtoberfläche einer Oberfläche der zweiten Elektrode gegenüber der Festkörperelektrolytschicht bedecken.
  • In einem Aspekt kann mindestens eine der ersten und zweiten Festkörper-Zwischenschichten eine Vielzahl von darin verteilten Durchgangslöchern aufweisen. Die Durchgangslöcher können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.
  • In einem Aspekt kann die Festkörperelektrolytschicht eine freistehende Membran sein. Die freistehende Membran kann aus einem polymeren Gel bestehen. Die freistehende Membran kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben.
  • 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.
    • 1A ist eine Darstellung einer beispielhaften Festkörperbatterie gemäß verschiedenen Aspekten vorliegenden Offenbarung;
    • 1B ist ein Beispiel für eine Festkörperbatterie mit einem polymeren Gelelektrolytsystem gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 1C ist ein Beispiel für eine Festkörperbatterie mit einer Festkörper-Zwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 ist ein weiteres Beispiel für eine Festkörperbatterie mit einem polymeren Gelelektrolytsystem und einer Festkörper-Zwischenschicht mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 3 ist ein weiteres Beispiel für eine Festkörperbatterie mit einer freistehenden Elektrolytschicht und einer Festkörper-Zwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 4 ist ein weiteres Beispiel für eine Festkörperbatterie mit einer freistehenden Elektrolytschicht und einer Festkörper-Zwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
    • 5A ist eine graphische Darstellung der thermischen Stabilität einer beispielhaften Batteriezelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
    • 5B ist eine graphische Darstellung der thermischen Stabilität einer Vergleichs-Batteriezelle;
    • 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung einer beispielhaften Batteriezelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
    • 7 ist eine graphische Darstellung des Gleichstromwiderstands („DCR“) der beispielhaften Batteriezelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde; und
    • 8 ist eine graphische Darstellung des Start-, Beleuchtungs- und Zündvorgangs (starting, lighting, ignition („SLI“) cranking) nach dem Hochtemperaturzyklus der beispielhaften 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.
  • Die vorliegende Technologie betrifft Festkörperbatterien (Solid-State-Batteries, SSBs) und Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Festkörperbatterien können mindestens eine feste Komponente enthalten, z.B. mindestens eine feste Elektrode, aber in bestimmten Variationen auch halbfeste oder Gel-, Flüssigkeits- oder Gaskomponenten. Festkörperbatterien können in bestimmten Fällen ein bipolares Stapeldesign aufweisen, das eine Vielzahl von bipolaren Elektroden umfasst, wobei ein erstes Gemisch von Teilchen aus elektroaktivem Festkörpermaterial (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer ersten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist und ein zweites Gemisch von Teilchen aus elektroaktivem Festkörpermaterial (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) auf einer zweiten Seite eines Stromkollektors angeordnet ist, die parallel zu der ersten Seite ist. Das erste Gemisch kann Kathodenmaterialteilchen als die festen elektroaktiven Materialteilchen enthalten. Das zweite Gemisch kann Anodenmaterialteilchen als feste elektroaktive Materialteilchen enthalten. Die Festkörperelektrolytteilchen können jeweils gleich oder unterschiedlich sein.
  • In anderen Variationen können die Festkörperbatterien ein monopolares Stapeldesign aufweisen, das eine Vielzahl von monopolaren Elektroden umfasst, wobei ein erstes Gemisch aus Teilchen aus elektroaktivem Festkörpermaterial (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) sowohl auf einer ersten Seite als auch auf einer zweiten Seite eines ersten Stromkollektors angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Seite des ersten Stromkollektors im Wesentlichen parallel sind, und ein zweites Gemisch aus Teilchen aus elektroaktivem Festkörpermaterial (und optionalen Festkörperelektrolytteilchen) sowohl auf einer ersten Seite als auch auf einer zweiten Seite eines zweiten Stromkollektors angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Seite des zweiten Stromkollektors im Wesentlichen parallel sind. Das erste Gemisch kann Kathodenmaterialteilchen als die festen elektroaktiven Materialteilchen enthalten. Das zweite Gemisch kann Anodenmaterialteilchen als feste elektroaktive Materialteilchen enthalten. Die Festkörperelektrolytteilchen können jeweils gleich oder unterschiedlich sein. In bestimmten Variationen können Festkörperbatterien eine Mischung aus einer Kombination aus bipolaren und monopolaren Stapelbauweisen enthalten.
  • Solche Festkörperbatterien können in Energiespeichervorrichtungen eingebaut werden, wie z.B. wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien, die in automobilen Transportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt werden können. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen 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. In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine wiederaufladbare Lithiumionen-Batterie bereit, die eine hohe Temperaturtoleranz sowie eine verbesserte Sicherheit und eine überlegene Leistungsfähigkeit und Lebensdauer aufweist.
  • Beispielhafte und schematische Darstellungen einer elektrochemischen Festkörperzelleneinheit (auch als „Festkörperbatterie“ und/oder „halbfeste Batterie“ und/oder „halbfeste elektrochemische Zelleneinheit“ und/oder „Batterie“ bezeichnet) 20, die Lithiumionen zyklisch bewegt, sind in 1A-1C dargestellt. Die Batterie 20 umfasst eine negative Elektrode (d.h. Anode) 22, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 24 und eine Elektrolytschicht 26, die einen Raum zwischen den zwei oder mehreren Elektroden einnimmt. Die Elektrolytschicht 26 kann eine feste oder halbfeste Trennschicht sein, die die negative Elektrode 22 von der positiven Elektrode 24 physisch trennt. Die Elektrolytschicht 26 kann eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 enthalten. Eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 kann mit negativen Festkörperelektrolytteilchen 50 in der negativen Elektrode 22 gemischt sein, und eine dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann mit positiven Festkörperelektrolytteilchen 60 in der positiven Elektrode 24 gemischt sein, um ein kontinuierliches Elektrolytnetzwerk zu bilden, das ein kontinuierliches Lithiumionenleitungsnetzwerk sein kann. Die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 kann mit der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden, und die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann mit der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 identisch sein oder sich von ihnen unterscheiden.
  • Ein erster Stromkollektor 32 kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromkollektor 32 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 zweiter Stromkollektor 34 kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der zweite Stromkollektor 34 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 erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können identisch oder unterschiedlich sein. Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 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 ersten Stromkollektor 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromkollektor 34) verbinden.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen der erste Stromkollektor 32 ein erster bipolarer Stromkollektor sein kann und/oder der zweite Stromkollektor 34 ein zweiter bipolarer Stromkollektor sein kann. Beispielsweise können der erste bipolare Stromkollektor 34 und/oder der zweite bipolare Stromkollektor 34 beispielsweise eine plattierte Folie sein, bei der eine Seite (z.B. die erste Seite oder die zweite Seite) des Stromkollektors 32, 34 ein Metall (z.B. das erste Metall) und eine andere Seite (z.B. die andere Seite der ersten Seite oder der zweiten Seite) des Stromkollektors 32 ein anderes Metall (z.B. das zweite Metall) enthält. Die plattierte Folie kann nur beispielsweise enthalten Aluminium-Kupfer (Al-Cu), Nickel-Kupfer (Ni-Cu), Edelstahl-Kupfer (SS-Cu), Aluminium-Nickel (Al-Ni), Aluminium-Edelstahl (AI-SS) und Nickel-Edelstahl (Ni-SS). In bestimmten Variationen können der erste bipolare Stromkollektor 32 und/oder der zweite bipolare Stromkollektor 34 vorbeschichtet sein, z.B. mit Graphen oder Kohlenstoff beschichtete Aluminiumstromkollektoren.
  • Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom (durch Pfeile in 1A-1C angegeben) 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 wenn die negative Elektrode 22 ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode 24 hat. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 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 die Elektrolytschicht 26 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch die Elektrolytschicht 26 zur positiven Elektrode 24, wo sie plattieren, reagieren oder eingelagert werden können. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 (in der Richtung der Pfeile) geleitet werden, bis das 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 (z.B. Ladegerät) an die Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. 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. Das Anschließen der externen elektrischen Stromquelle 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 Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen, und die Lithiumionen, die sich durch die Elektrolytschicht 26 zurück zur negativen Elektrode 22 bewegen, vereinigen sich an der negativen Elektrode 22 wieder und füllen sie mit Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus auf. 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.
  • Obwohl das dargestellte Beispiel eine einzelne positive Elektrode 24 und eine einzelne negative Elektrode 22 umfasst, 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 und Stromkollektorfilmen mit elektroaktiven Teilchenschichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet oder darin eingebettet sind. In ähnlicher Weise ist zu beachten, dass die Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten kann, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, eine Dichtung, Anschlusskappen 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 die Elektrolytschicht 26 herum.
  • In vielen Konfigurationen werden der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, die Elektrolytschicht 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Millimeter oder weniger) hergestellt und in Schichten zusammengefügt, die in Reihe geschaltet sind, um ein geeignetes Paket für elektrische Energie, Batteriespannung und Leistung bereitzustellen, z.B. um einen in Reihe geschalteten Elementarzellenkern („Series-Connected Elementary Cell Core“ bzw. „SECC“) zu erhalten. In verschiedenen anderen Fällen kann die Batterie 20 außerdem parallelgeschaltete Elektroden 22, 24 enthalten, um eine geeignete elektrische Energie, Batteriespannung und Leistung bereitzustellen, z.B. um einen parallelgeschalteten Elementarzellenkern („Parallel-Connected Elementary Cell Core“ bzw. „PECC“) zu erhalten.
  • Die Größe und Form der Batterie 20 können je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts-, Spannungs-, Energie- und Leistungsabgabespezifikationen 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. Die Batterie 20 kann einen elektrischen Strom für die Lastvorrichtung 42 erzeugen, die operativ an den externen Stromkreis 40 angeschlossen sein kann. 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. Während es sich bei der Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, gibt es als nicht einschränkende Beispiele einige spezifische Beispiele für stromverbrauchende Lastvorrichtungen, wie ein Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder ein rein elektrisches 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.
  • Wie in den 1A-1C gezeigt, sorgt die Elektrolytschicht 26, die halbfest sein kann, für eine elektrische Trennung - die einen physischen Kontakt verhindert - zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Die Elektrolytschicht 26 schafft außerdem einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Ionen. In verschiedenen Aspekten kann die Elektrolytschicht 26 durch eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 gebildet sein. Die Elektrolytschicht 26 kann z.B. in Form einer Schicht oder eines Verbundes vorliegen, der die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 umfasst.
  • In bestimmten Variationen kann die Elektrolytschicht 26 in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm, optional mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm, optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm, optional etwa 20 µm und in bestimmten Aspekten optional etwa 15 µm vorliegen. Die Elektrolytschicht 26 kann in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 1.000 µm, optional mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 200 µm, optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 100 µm, optional 20 µm und in bestimmten Aspekten optional 15 µm vorliegen.
  • Wie in 1A dargestellt, kann die Elektrolytschicht 26 eine Interteilchenporosität 80 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 30 aufweisen, die größer als 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Vol.-%, optional größer oder gleich etwa 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 40 Vol.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 20 Vol.-% ist. Die Elektrolytschicht 26 kann eine Interteilchenporosität 80 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 30 aufweisen, die größer als 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich 50 Vol.-%, optional größer oder gleich 1 Vol.-% bis kleiner oder gleich 40 Vol.-%, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 2 Vol.-% bis kleiner oder gleich 20 Vol.-% ist.
  • In bestimmten Variationen können die Festkörperelektrolytteilchen 30 einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer oder gleich etwa 0,02 µm bis kleiner oder gleich etwa 20 µm, optional größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 10 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 0,1 µm bis kleiner oder gleich etwa 5 µm aufweisen. Die Festkörperelektrolytteilchen 30 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von größer oder gleich 0,02 µm bis kleiner oder gleich 20 µm, optional größer oder gleich 0,1 µm bis kleiner oder gleich 10 µm und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 0,1 µm bis kleiner oder gleich 5 µm haben. Die Festkörperelektrolytteilchen 30 können z.B. ein oder mehrere Teilchen auf Sulfidbasis, Teilchen auf Oxidbasis, metalldotierte oder aliovalent-substituierte Oxidteilchen, inaktive Oxidteilchen, Teilchen auf Nitridbasis, Teilchen auf Hydridbasis, Teilchen auf Halogenidbasis und Teilchen auf Boratbasis umfassen.
  • In bestimmten Variationen können die Teilchen auf Sulfidbasis nur beispielsweise ein pseudobinäres Sulfid, ein pseudoternäres Sulfid und/oder ein pseudoquaternäres Sulfid enthalten. Beispiele für pseudobinäre Sulfidsysteme sind Li2S-P2S5-Systeme (wie Li3PS4, Li7P3S11 und Li9,6P3S12), Li2S-SnS2-Systeme (wie Li4SnS4), Li2S-SiS2-Systeme, Li2S-GeS2-Systeme, Li2S-B2S3-Systeme, das Li2S-Ga2S3-System, Li2S-P2S3-Systeme und Li2S-Al2S3-Systeme. Beispiele für pseudoternäre Sulfidsysteme sind Li2O-Li2S-P2S5-Systeme, Li2S-P2S5-P2O5-Systeme, Li2S-P2S5-GeS2-Systeme (wie Li3,25Ge0,25P0,75S4 und Li10GeP2S12), Li2S-P2S-P5S-LiX-Systeme (wobei X eines von F, Cl, Br und I ist) (wie Li6PS6Br, Li6PS6Cl, Li7P2S8I und Li4PS4I), Li2S-As2S5-SnS2-Systeme (z.B. Li3,833Sn0,833As0,166S4), Li2S-P2S5-Al2S3-Systeme, Li2S-LiX-SiS2-Systeme (wobei X eines von F, Cl, Br und I ist), 0,4Li1-0,6Li4SnS4 und Li11Si2PS12. Beispiele für pseudoquaternäre Sulfidsysteme sind Li2O-Li2S-P2S5-P2O5-Systeme, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3, Li7P2,9Mn0,1S10,7I0,3 und Li10,35[Sn0,27Si1,08]P1,65S12.
  • In bestimmten Variationen können die oxidbasierten Teilchen eine oder mehrere Granatkeramiken, Oxide vom LISICON-Typ, Oxide vom NASICON-Typ und Keramiken vom Perowskit-Typ umfassen. Zum Beispiel können die Granatkeramiken aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li6,25Al0,25La3Zr2O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12 und Kombinationen davon. Die Oxide vom LISICON-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3+x(P1-xSix)O4 (wobei 0 < x < 1), Li3+xGexV1-xO4 (wobei 0 < x < 1) und Kombinationen davon. Die Oxide vom NASICON-Typ können durch LiMM'(PO4)3 definiert sein, wobei M und M' unabhängig voneinander aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La ausgewählt sind. Zum Beispiel können in bestimmten Variationen die Oxide des NASICON-Typs aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0.3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, LiGeTi(PO4)3, LiGe2(PO4)3, LiHf2(PO4)3 und Kombinationen davon. Die Keramiken vom Perowskit-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li3/8Sr7/16Nb3/4Zr1/4O3, Li3xLa(2/3-x)TiO3 (wobei 0 < x < 0,25) und Kombinationen davon.
  • In bestimmten Variationen können die metalldotierten oder aliovalent-substituierten Oxidteilchen nur beispielsweise enthalten: mit Aluminium (Al) oder Niob (Nb) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Antimon (Sb) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Gallium (Ga) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) substituiertes LiSn2P3O12, mit Aluminium (Al) substituiertes Li1+x+yAlxTi2-xSiYP3-yO12 (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3) und Kombinationen davon.
  • In bestimmten Variationen können die inaktiven Oxidteilchen nur beispielsweise SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2 und Kombinationen davon enthalten; die Teilchen auf Nitridbasis können nur z.B. Li3N, Li7PN4, LiSi2N3 und Kombinationen davon enthalten; die Teilchen auf Hydridbasis können nur beispielsweise enthalten LiBH4, LiBH4-LiX (wobei x = Cl, Br oder I), LiNH2, Li2NH, LiBH4-LiNH2, Li3AlH6 und Kombinationen davon; die Teilchen auf Halogenidbasis können nur beispielsweise enthalten Lil, Li3InCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2ZnI4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6 und Kombinationen davon; und die Teilchen auf Boratbasis können nur z.B. Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 ein oder mehrere Elektrolytmaterialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: das System Li2S-P2S5, das System Li2S-P2S5-MOx (wobei 1 < x < 7), das System Li2S-P2S5-MSx (wobei 1 < x < 7), Li10GeP2S12 (LGPS), Li6PS5X (wobei X Cl, Br oder I ist) (Lithium-Argyrodit), Li7P2S8I, Li10,35Ge1,35P1,65S12, Li3,25Ge0,25P0,75S4 (thio-LISICON), Li10SnP2S12, Li10SiP2S12, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3, (1-x)P2S5-xLi2S (wobei 0,5 ≤ x ≤ 0,7), Li3,4Si0,4P0,6S4, PLi10GeP2S11,7O0,3, Li9,6P3S12, Li7P3S11, Li9P3S9O3, Li10,35Ge1,35P1,63S12, Li9,81Sn0,81P2,19S12, Li10(Si0,5Ge0,5)P2S12, Li10(Ge0,5Sn0,5)P2S12, Li10(Si0.5Sn0.5)P2S12, Li3,833Sn0,833As0,16S4, Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6.85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0.25O132, Li6,25Al0,25La3Zr2O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12, Li6,75La3Zr1,75Nb0,25O12, Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3+x(P1-xSix)O4 (wobei 0 < x < 1), Li3+xGexV1-xO4 (wobei 0 < x < 1), LiMM'(PO4)3 (wobei M und M' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Al, Ge, Ti, Sn, Hf, Zr und La), Li3,3La0,53TiO3, LiSr1.65Zr1.3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li3/8Sr7/16Nb3/4Zr1/4O3, Li3xLa(2/3-x)TiO3 (wobei 0 < x < 0,25), mit Aluminium (Al) oder Niob (Nb) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Antimon (Sb) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Gallium (Ga) dotiertes Li7La3Zr2O12, mit Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) substituiertes LiSn2P3O12, mit Aluminium (Al) substituiertes Li1+x+yAlxTi2-xSiYP3-yO12 (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3), LiI-Li4SnS4, Li4SnS4, Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, LiBH4, LiBH4-LiX (wobei x = Cl, Br oder I), LiNH2, Li2NH, LiBH4-LiNH2, Li3AlH6, Lil, Li3lnCl6, Li2CdCI4, Li2MgCl4, LiCdl4, Li2Znl4, Li3OCI, Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon.
  • Obwohl nicht dargestellt, werden Fachleute erkennen, dass in bestimmten Fällen ein oder mehrere Bindemittelteilchen mit den Festkörperelektrolytteilchen 30 gemischt werden können. Zum Beispiel kann die Elektrolytschicht 26 in bestimmten Aspekten mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel enthalten. Die Elektrolytschicht 26 kann mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel enthalten. Das eine oder die mehreren polymeren Bindemittel können nur z.B. enthalten Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Lithium-Polyacrylat (LiPAA).
  • Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie zu fungieren. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Vielzahl der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 definiert sein. In bestimmten Fällen ist, wie dargestellt, die negative Elektrode 22 ein Verbundstoff, der eine Mischung aus den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 umfasst. In jeder Variation kann die negative Elektrode 22 in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm, optional mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 400 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 300 µm vorliegen. Die negative Elektrode 22 kann in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 1.000 µm, optional mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 400 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 300 µm vorliegen.
  • Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% der zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 enthalten. Die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 kann gleich oder verschieden von der ersten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30 sein.
  • Die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 können auf Lithiumbasis sein, z.B. eine Lithiumlegierung oder ein Lithiummetall. In anderen Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 auf Siliciumbasis sein und z.B. eine Siliciumlegierung und/oder ein Silicium-Graphit-Gemisch enthalten. In noch anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 eine kohlenstoffhaltige Anode sein, und die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 können ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien umfassen, wie z.B. Graphit, Graphen, harten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs). In noch weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein oder mehrere negative elektroaktive Materialien enthalten, wie z.B. Lithium-Titanoxid (Li4Ti5O12); ein oder mehrere Metalloxide, wie z.B. TiO2 und/oder V2O5; Metallsulfide, wie FeS; und/oder Materialien aus elektroaktiven Übergangsmetallen, wie Zinn (Sn). Die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 können aus der Gruppe ausgewählt werden, die nur z.B. Lithium, Graphit, Graphen, harten Kohlenstoff, weichen Kohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren, Silicium, siliciumhaltige Legierungen, zinnhaltige Legierungen und/oder andere Lithium aufnehmende Materialien umfasst.
  • In bestimmten Variationen können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,01 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm aufweisen. Die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich 0,01 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm aufweisen.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann in bestimmten Variationen die negative Elektrode 22 ein oder mehrere leitfähige Additive und/oder Bindemittel enthalten. Zum Beispiel können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 (und/oder die optionale zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90) optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien (nicht dargestellt), die einen Elektronenleitpfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial (nicht dargestellt), das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt werden.
  • Beispielsweise können die negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 (und/oder die zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90 (und/oder die optionale zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 90) optional mit Bindemitteln vermischt werden, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen (PVD-FHFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymeren (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren (SBS), Polyethylenglykol (PEO), und/oder Lithium-Polyacrylat (LiPAA) als Bindemittel. Elektrisch leitfähige Materialien können z.B. Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen (z.B. Graphenoxid), Ruß (z.B. Super P) und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. In bestimmten Aspekten können Mischungen der leitfähigen Additive und/oder Bindemittelmaterialien verwendet werden.
  • Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des einen oder mehrerer elektrisch leitfähiger Additive enthalten; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel. Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des einen oder mehrerer elektrisch leitfähiger Additive enthalten; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel.
  • In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 eine Interteilchenporosität 82 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 90 (und optional dem einen oder den mehreren leitfähigen Additiven und/oder Bindematerialien) aufweisen, die größer als oder gleich 0 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 50 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 2 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 20 Vol.-% ist. Die negative Elektrode 22 kann eine Interteilchenporosität 82 zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 90 aufweisen, die größer als oder gleich 0 Vol.-% bis kleiner als oder gleich 50 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 2 Vol.-% bis kleiner als oder gleich 20 Vol.-% ist.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem lithiumbasierten oder elektroaktiven Material gebildet werden, das Lithium-Einlagerung und -Auslagerung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 z.B. durch eine Vielzahl der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 definiert sein. In bestimmten Fällen ist, wie dargestellt, die positive Elektrode 24 ein Verbundstoff, der eine Mischung aus den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 umfasst. In jeder Variation kann die positive Elektrode 24 in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm, optional mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 400 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 300 µm vorliegen. Die positive Elektrode 24 kann in Form einer Schicht mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 1.000 µm, optional mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 400 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 300 µm vorliegen
  • Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 enthalten. Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 70 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 enthalten. Die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92 kann gleich oder verschieden von der ersten und/oder zweiten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 30, 90 sein.
  • In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Kathode aus einem geschichteten Oxid, eine Spinell-Kathode oder eine Polyanionkathode sein. In den Fällen einer Schichtoxid-Kathode (z.B. Steinsalz-Schichtoxide) können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 beispielsweise ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die ausgewählt sind aus LiCoO2, LiNixMnyCo1-x-yO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNixMnyAl1-x-yO2 (wobei 0 < x ≤ 1 und 0 < y ≤ 1), LiNixMn1-xO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1) und Li1+xMO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1) für Festkörper-Lithiumionen-Batterien. Die Spinellkathode kann ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, wie LiMn2O4 und LiNi0,5Mn1 ,5O4. Das Polyanion-Kation kann z.B. ein Phosphat enthalten, wie LiFePO4, LiVPO4, LiV2(PO4)3, Li2FePO4F, Li3Fe3(PO4)4 oder Li3V2(PO4)F3 für Lithiumionen-Batterien, und/oder ein Silikat, wie z.B. LiFeSiO4, für Lithiumionen-Batterien. Auf diese Weise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 in verschiedenen Aspekten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus LiCoO2, LiNixMnyCo1-x-yO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1), LiNixMn1-xO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li1+xMO2 (wobei 0 ≤ x ≤ 1), LiMn2O4, LiNixMn1,5O4, LiFePO4, LiVPO4, LiV2(PO4)3, Li2FePO4F, Li3Fe3(PO4)4, Li3V2(PO4)F3, LiFeSiO4 und Kombinationen davon. In bestimmten Aspekten können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 beschichtet sein (z.B. mit LiNbO3 und/oder Al2O3) und/oder das positive elektroaktive Material kann dotiert sein (z.B. mit Aluminium und/oder Magnesium).
  • In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,01 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm aufweisen. Die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 können einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als oder gleich 0,01 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm haben.
  • Obwohl nicht dargestellt, kann in bestimmten Variationen die positive Elektrode 24 darüber hinaus ein oder mehrere leitfähige Additive und/oder Bindemittel enthalten. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 (und/oder die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92) optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien (nicht dargestellt), die einen Elektronenleitpfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial (nicht dargestellt), das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt werden.
  • Beispielsweise können die positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 (und/oder die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 92) optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie Polyvinylidendifluorid (PVDF), Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen (PVD-FHFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymeren (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren (SBS), Polyethylenglykol (PEO) und/oder Lithium-Polyacrylat (LiPAA) als Bindemittel. Elektrisch leitfähige Materialien können z.B. Materialien auf Kohlenstoffbasis oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen (z.B. Graphenoxid), Ruß (z.B. Super P) und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer können Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen umfassen. In bestimmten Aspekten können Mischungen der leitfähigen Additive und/oder Bindemittelmaterialien verwendet werden.
  • Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des einen oder mehrerer elektrisch leitfähiger Additive enthalten; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel. Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des einen oder mehrerer elektrisch leitfähiger Additive enthalten; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des einen oder mehrerer Bindemittel.
  • In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 eine Interteilchenporosität 84 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 (und optional dem einen oder mehreren leitfähigen Additiven und/oder Bindematerialien) aufweisen, die größer oder gleich 0 Vol.-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 2 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 20 Vol.-% ist. Die positive Elektrode 24 kann eine Interteilchenporosität 84 zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 aufweisen, die größer als oder gleich 0 Vol.-% bis kleiner als oder gleich 50 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich 2 Vol.-% bis kleiner als oder gleich 20 Vol.-% ist.
  • Wie in 1A dargestellt, kann der direkte Kontakt zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 50, 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 30, 90, 92 (und/oder optional den ein oder mehreren leitfähigen Additiven und/oder Bindemitteln) viel geringer sein als der Kontakt zwischen einem flüssigen Elektrolyten und den elektroaktiven Festkörperteilchen in vergleichbaren Nicht-Festkörperbatterien. Wie in 1A dargestellt, kann eine Batterie 20 in grüner Form eine Gesamt-Interteilchenporosität aufweisen, die größer als oder gleich etwa 5 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 40 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 10 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 40 Vol.-% ist. Eine Batterie 20 in grüner Form kann eine Gesamt-Interteilchenporosität aufweisen, die größer oder gleich 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich 40 Vol.-% ist, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 10 Vol.-% bis kleiner oder gleich 40 Vol.-%.
  • In bestimmten Variationen kann ein polymerer Gelelektrolyt (z.B. ein halbfester Elektrolyt) in einer Festkörperbatterie angeordnet werden, um Grenzflächen zu benetzen und/oder Hohlräume zwischen den Festkörperelektrolytteilchen und/oder den Festkörperaktivmaterialteilchen zu füllen. Wie in 1B dargestellt, kann beispielsweise ein polymeres Gelelektrolytsystem 100 innerhalb der Batterie 20 zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 30, 90, 92 und/oder den elektroaktiven Festkörperteilchen 50, 60 angeordnet werden, um nur beispielsweise die Interteilchenporosität 80, 82, 84 zu verringern und den Ionenkontakt zu verbessern und/oder eine höhere Leistung zu ermöglichen. In bestimmten Variationen kann die Batterie 20 mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 35 Gew.-% des polymeren Gelelektrolytsystems 100 enthalten. Die Batterie 20 kann mehr als oder gleich 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 35 Gew.-% des polymeren Gelelektrolytsystems 100 enthalten.
  • Obwohl es in der gezeigten Figur so aussieht, als ob keine Poren oder Hohlräume verbleiben, ist Fachleuten klar, dass zwischen benachbarten Teilchen (nur beispielsweise zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 50 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 90 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 30 und zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 30) in Abhängigkeit von der Durchdringung des polymeren Gelelektrolytsystems 100 einige Porositäten verbleiben können. Beispielsweise kann eine Batterie 20, die das polymere Gelelektrolytsystem 100 enthält, eine Porosität von weniger als oder gleich etwa 30 Vol.-% aufweisen, und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 10 Vol.-%. Eine Batterie 20, die das polymere Gelelektrolytsystem 100 enthält, kann eine Porosität von weniger als oder gleich 30 Vol.-% aufweisen, und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 10 Vol.-%.
  • In verschiedenen Aspekten umfasst das polymere Gelelektrolytsystem 100 einen polymeren Wirt und einen flüssigen Elektrolyten. Zum Beispiel kann das polymere Gelelektrolytsystem 100 mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des polymeren Wirts und mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des flüssigen Elektrolyten enthalten. Das polymere Gelelektrolytsystem 100 kann mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 10 Gew.-% des polymeren Wirts und mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des flüssigen Elektrolyten enthalten.
  • In bestimmten Variationen kann der polymere Wirt aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polyethylenoxid (PEO), Polypropylenoxid (PPO), Polyacrylnitril (PAN), Polymethacrylnitril (PMAN), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Poly(vinylalkohol) (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Kombinationen davon.
  • Der flüssige Elektrolyt kann ein Lithiumsalz und ein Lösungsmittel enthalten. Zum Beispiel kann der flüssige Elektrolyt mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 70 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Lithiumsalzes und mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 90 Gew.-% des Lösungsmittels enthalten. Der flüssige Elektrolyt kann mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 70 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 50 Gew.-%, des Lithiumsalzes und mehr als oder gleich 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 90 Gew.-%, des Lösungsmittels enthalten.
  • Das Lithiumsalz enthält ein Lithiumkation (Li+) und mindestens ein Anion, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Hexafluoroarsenat, Hexafluorophosphat, Bis(fluorosulfonyl)imid (FSI), Perchlorat, Tetrafluoroborat, Cyclodifluormethan-1,1-bis(dulfonyl)imid (DMSI), Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(pentafluoroethansulfonyl)imid (BETI), Bis(oxalat)borat (BOB), Difluor(ocalato)borat (DFOB), Bis(fluoromalonato)boarat (BFMB) und Kombinationen davon. In bestimmten Variationen kann das Lithiumsalz beispielsweise aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF6), Lithiumhexa-fluorphosphat (LiPF6), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumcyclodifluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(pentafluorethansulfonyl)imid (LiBETI), Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumbis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB), Lithiumdifluorophosphat (LiPO2F2), Lithiumfluorid (LiF), Lithiumtrifluormethylsulfonat (LiTFO), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) und Kombinationen davon.
  • Das Lösungsmittel löst das Lithiumsalz auf, um eine gute Lithiumionen-Leitfähigkeit zu ermöglichen, und weist gleichzeitig einen niedrigen Dampfdruck auf (z.B. weniger als 10 mmHg bei 25 °C), der zu dem Zellenherstellungsprozess passt. In verschiedenen Aspekten umfasst das Lösungsmittel zum Beispiel Carbonat-Lösungsmittel (wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Glycerin-Carbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat, 1,2-Butylencarbonat und dergleichen), Lactone (wie z.B. γ-Butyrolacton (GBL), δ-Valerolacton und dergleichen), Nitrile (wie z.B. Succinonitril, Glutaronitril, Adiponitril und dergleichen), Sulfone (wie z.B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und dergleichen), Ether (wie z.B. Triethylenglykol-Dimethylether (Triglyme, G3), Tetraethylenglykol-Dimethylether (Tetraglyme, G4), 1,3-Dimethyoxypropan, 1,4-Dioxan und dergleichen), Phosphate (wie z.B. Triethylphosphat, Trimethylphosphat und dergleichen), ionische Flüssigkeiten mit Kationen von ionischen Flüssigkeiten (wie z.B. 1-Ethyl-3-methylimidazolium ([Emim]+), 1-Propyl-1-methylpiperidinium ([PP13]+), 1-Butyl-1-methylpiperidinium ([PP14]+), 1-Methyl-1-ethylpyrrolidinium ([Pyr12]+), 1-Propyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr13]+), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium ([Pyr14]+) und dergleichen) und Anionen von ionischen Flüssigkeiten (wie Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI), Bis(fluorosulfonyl)imid (FS) und dergleichen), sowie Kombinationen davon.
  • In verschiedenen Aspekten, wie in 1C dargestellt, kann die Batterie 20 außerdem eine Festkörper-Zwischenschicht 102 enthalten. Wie dargestellt, kann die Batterie 20 beispielsweise eine Festkörper-Zwischenschicht 102 enthalten, die zwischen der Elektrolytschicht 26 und der positiven Elektrode 24 angeordnet ist. Die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann die Elektrolytschicht 26 und die positive Elektrode 24 physisch trennen. Die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 % bis weniger als oder gleich 100 % einer Gesamtoberfläche der positiven Elektrode 24 bedecken, die der Elektrolytschicht 26 gegenüberliegt. In jedem Fall kann die Festkörperschicht 102 eine elektrochemisch hochstabile Festkörper-Zwischenschicht sein, deren parasitärer Strom während der Voltammetrie bei linearem Wobbeln (linear sweeping voltammetry) weniger als etwa 1 Mikroampere beträgt, und in bestimmten Aspekten optional weniger als 1 Mikroampere.
  • Die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann eine Dicke von einer Teilchenbreite aufweisen. Die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann beispielsweise eine (vierte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 104 umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen 104 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,005 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm und in bestimmten Fällen optional etwa 4 µm haben. Die Festkörperelektrolytteilchen 104 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,005 µm bis weniger als oder gleich 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 102 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 8 µm, optional mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 5 µm und in bestimmten Fällen optional 4 µm haben. Wie dargestellt, kann der polymere Gelelektrolyt 100 Hohlräume zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 104 und/oder zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 104 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 92 und/oder den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 60 und/oder den Festkörperelektrolytteilchen 30 füllen.
  • In bestimmten Variationen können die Festkörperelektrolytteilchen 104 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP), enthalten. In anderen Variationen können die Festkörperteilchen 104 andere Festkörperelektrolyte auf Oxidbasis umfassen, wie z.B. Granatkeramik, Oxide vom LISICON-Typ, Keramik vom Perowskit-Typ und/oder Oxide vom NASICON-Typ. In noch anderen Variationen können die Festkörperteilchen 104 Teilchen auf Nitrid-, Halogenid- und Borat-Basis enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten kann die Granatkeramik aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12 und Kombinationen davon. Die Oxide vom LISICON-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4 und Kombinationen davon. Die Keramiken vom Perowskit-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75) und Kombinationen davon. Die Oxide vom NASICON-Typ können aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3 und Kombinationen davon. Die Teilchen auf Nitridbasis können nur z.B. enthalten Li3N, Li7PN4, LiSi2N3 und Kombinationen davon. Die Teilchen auf Halogenidbasis können nur beispielsweise enthalten Lil, Li3InCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2ZnI4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6 und Kombinationen davon. Die Teilchen auf Boratbasis können nur z.B. Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon enthalten.
  • In verschiedenen Aspekten können die Festkörperelektrolytteilchen 104 ein Festkörperelektrolytmaterial umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4,), Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Zr1,75Nb0,25O12, Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3,3La0,53TiO3, LiSr1.65Zr1.3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1.3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, Lil, Li3InCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2Znl4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6, Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen eine weitere Festkörper-Zwischenschicht zwischen der negativen Elektrode 22 und der Elektrolytschicht 26 angeordnet sein kann. Darüber hinaus kann in bestimmten Variationen eine Festkörper-Zwischenschicht zwischen der negativen Elektrode 22 und der Elektrolytschicht 26 anstelle der Festkörper-Zwischenschicht 102 angeordnet sein, die zwischen der positiven Elektrode 24 und der Elektrolyt-Zwischenschicht 26 angeordnet ist, wie dargestellt.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer weiteren elektrochemischen Festkörpereinheit 220, die Lithiumionen zyklisch bewegt, ist in 2 zu sehen. Wie die in 1A-1C dargestellte Batterie 20 umfasst die Batterie 220 eine negative Elektrode (d.h. Anode) 222, einen ersten Stromkollektor 232, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der negativen Elektrode 222 angeordnet ist, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 224, einen zweiten Stromkollektor 234, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der positiven Elektrode 224 angeordnet ist, und eine Elektrolytschicht 226, die zwischen einer zweiten Seite der negativen Elektrode 222 und einer zweiten Seite der positiven Elektrode 224 angeordnet ist, wobei die zweite Seite der negativen Elektrode 222 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der negativen Elektrode 222 und die zweite Seite der positiven Elektrode 224 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der positiven Elektrode 224 ist.
  • Die Batterie 220 umfasst ferner eine Festkörper-Zwischenschicht 202, die zwischen der Elektrolytschicht 226 und der zweiten Seite der positiven Elektrode 224 angeordnet ist. Wie die in 1C dargestellte Festkörper-Zwischenschicht 102 kann die Festkörper-Zwischenschicht 202 die Elektrolytschicht 226 und die positive Elektrode 224 physisch trennen. Die Festkörper-Zwischenschicht 202 kann jedoch auch eine Vielzahl von Durchgangslöchern 206 enthalten. Beispielsweise kann die Festkörper-Zwischenschicht 202 mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 50 % bis weniger als oder gleich 100 % einer Gesamtoberfläche der zweiten Seite der positiven Elektrode 224 bedecken. Die Durchgangslöcher 206 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm. Die Durchgangslöcher 206 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,05 µm bis weniger als oder gleich 100 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 50 µm. In jedem Fall können die Durchgangslöcher 206 einen Weg für den raschen und schnellen Transport von Lithiumionen bieten, insbesondere bei niedrigeren Betriebstemperaturen.
  • Wie die in 1C dargestellte Festkörper-Zwischenschicht 102 kann die Festkörper-Zwischenschicht 202 eine Dicke von einer Teilchenbreite aufweisen. Die Festkörper-Zwischenschicht 202 kann beispielsweise eine (erste) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 204 umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen 204 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,005 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 202 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm und in bestimmten Fällen optional etwa 4 µm haben. Die Festkörperelektrolytteilchen 204 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,005 µm bis weniger als oder gleich 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 202 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 8 µm, optional mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 5 µm und in bestimmten Fällen optional 4 µm haben.
  • Wie die in 1C dargestellten Festkörperelektrolytteilchen 104 können auch die Festkörperelektrolytteilchen 204 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP), enthalten. In anderen Variationen können die Festkörperteilchen 204 andere Festkörperelektrolyte auf Oxidbasis umfassen, wie z.B. Granatkeramik, Oxide vom LISICON-Typ, Keramik vom Perowskit-Typ und/oder Oxide vom NASICON-Typ. In noch anderen Variationen können die Festkörperteilchen 204 Teilchen auf Nitrid-, Halogenid- und Borat-Basis enthalten. Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen eine weitere Festkörper-Zwischenschicht zwischen der zweiten Seite der negativen Elektrode 222 und der Elektrolytschicht 226 angeordnet sein kann.
  • Wie die in 1A-1C dargestellte negative Elektrode 22 kann die negative Elektrode 222 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 250 gebildet ist, die optional mit einer (zweiten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 290 gemischt sind. Wie die in 1A-1C dargestellte positive Elektrode 24 kann die positive Elektrode 224 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 260 gebildet ist, die optional mit einer (dritten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 292 gemischt sind. Wie die in den 1A-1C dargestellte Elektrolytschicht 26 kann die Elektrolytschicht 226 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine (vierte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 230 gebildet ist. In bestimmten Variationen kann, wie dargestellt, die Batterie 220 außerdem ein polymeres Gelsystem 298 enthalten. Wie das in 1C dargestellte polymere Gelsystem 100 kann das polymere Gelsystem 298 zumindest teilweise Hohlräume zwischen den Festkörperteilchen, einschließlich der Festkörperelektrolytteilchen 204 und/oder der negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 250 und/oder der Festkörperelektrolytteilchen 290 und/oder der positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 260 und/oder der Festkörperelektrolytteilchen 292 und/oder der Festkörperelektrolytteilchen 230, ausfüllen.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer weiteren elektrochemischen Festkörpereinheit 320, die Lithiumionen zyklisch bewegt, ist in 3 zu sehen. Wie die in 1A-1C dargestellte Batterie 20 umfasst die Batterie 320 eine negative Elektrode (d.h. Anode) 322, einen ersten Stromkollektor 332, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der negativen Elektrode 322 angeordnet ist, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 324, einen zweiten Stromkollektor 334, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der positiven Elektrode 324 angeordnet ist, eine Elektrolytschicht 326, die zwischen einer zweiten Seite der negativen Elektrode 322 und einer zweiten Seite der positiven Elektrode 324 angeordnet ist, und eine Festkörper-Zwischenschicht 302, die zwischen der zweiten Seite der positiven Elektrode 324 und der Elektrolytschicht 326 angeordnet ist, wobei die zweite Seite der negativen Elektrode 322 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der negativen Elektrode 322 ist und die zweite Seite der positiven Elektrode 324 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der positiven Elektrode 324 ist.
  • Wie die in den 1A-1C dargestellte negative Elektrode 22 kann die negative Elektrode 322 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 350 gebildet ist, die optional mit einer (ersten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 390 gemischt sind. Die negative Elektrode 322 kann ferner ein (erstes) polymeres Gelelektrolytsystem 382 enthalten, das zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 350 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 390 ausfüllt.
  • Wie die in 1A-1C dargestellte positive Elektrode 24 kann die positive Elektrode 324 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 360 gebildet ist, die optional mit einer (zweiten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 392 gemischt sind. Die positive Elektrode 324 kann außerdem ein (zweites) polymeres Gelsystem 384 enthalten, das zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 360 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 392 ausfüllt. Das (zweite) polymere Gelsystem 384 kann mit dem (ersten) polymeren Gelsystem 382 identisch oder davon verschieden sein.
  • Wie die in den 1A-1C dargestellte Elektrolytschicht 26 kann die Elektrolytschicht 326 eine Trennschicht sein, die die negative Elektrode 322 von der positiven Elektrode 324 physisch trennt. In verschiedenen Aspekten kann die Elektrolytschicht 326 eine freistehende Membran 380 sein, die durch ein (drittes) polymeres Gelelektrolytsystem gebildet ist. In bestimmten Variationen kann die freistehende Membran 380 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm, optional mehr als oder gleich etwa 2 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm, optional mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm aufweisen. Die freistehende Membran 380 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 1.000 µm, optional mehr als oder gleich 2 µm bis weniger als oder gleich 200 µm, optional mehr als oder gleich 5 µm bis weniger als oder gleich 200 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 µm bis weniger als oder gleich 50 µm aufweisen.
  • Wie die in 1C dargestellte Festkörper-Zwischenschicht 102 kann die Festkörper-Zwischenschicht 302 die Elektrolytschicht 326 und die positive Elektrode 324 physisch trennen. Die Festkörper-Zwischenschicht 302 kann eine Dicke von einer Teilchenbreite aufweisen. Die Festkörper-Zwischenschicht 302 kann zum Beispiel eine (dritte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 304 umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen 304 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,005 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 302 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm und in bestimmten Fällen optional etwa 4 µm haben. Die Festkörperelektrolytteilchen 304 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,005 µm bis weniger als oder gleich 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 302 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 8 µm, optional mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 5 µm und in bestimmten Fällen optional 4 µm haben.
  • Wie die in 1C dargestellten Festkörperelektrolytteilchen 104 können auch die Festkörperelektrolytteilchen 304 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP), enthalten. In anderen Variationen können die Festkörperteilchen 204 andere Festkörperelektrolyte auf Oxidbasis umfassen, wie z.B. Granatkeramik, Oxide vom LISICON-Typ, Keramik vom Perowskit-Typ und/oder Oxide vom NASICON-Typ. In noch anderen Variationen können die Festkörperteilchen 304 Teilchen auf Nitrid-, Halogenid- und Borat-Basis enthalten.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass die Festkörper-Zwischenschicht 302 in bestimmten Variationen weiterhin eine Vielzahl von Durchgangslöchern enthalten kann, wie die in 2 abgebildete Festkörper-Zwischenschicht 202. In jeder Variation kann das (zweite) polymere Gelsystem 384 zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 304 und/oder den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 360 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 392 ausfüllen. Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen eine weitere Festkörper-Zwischenschicht zwischen der zweiten Seite der negativen Elektrode 322 und der Elektrolytschicht 326 angeordnet sein kann.
  • Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer weiteren elektrochemischen Festkörpereinheit 420, die Lithiumionen zyklisch bewegt, ist in 4 zu sehen. Wie die in 1A-1C dargestellte Batterie 20 umfasst die Batterie 420 eine negative Elektrode (d.h. Anode) 422, einen ersten Stromkollektor 432, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der negativen Elektrode 422 angeordnet ist, eine positive Elektrode (d.h. Kathode) 424, einen zweiten Stromkollektor 434, der an oder in der Nähe einer ersten Seite der positiven Elektrode 424 angeordnet ist, eine Elektrolytschicht 426, die zwischen einer zweiten Seite der negativen Elektrode 422 und einer zweiten Seite der positiven Elektrode 424 angeordnet ist, und eine Festkörper-Zwischenschicht 402, die zwischen der zweiten Seite der positiven Elektrode 424 und der Elektrolytschicht 426 angeordnet ist, wobei die zweite Seite der negativen Elektrode 422 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der negativen Elektrode 422 ist und die zweite Seite der positiven Elektrode 424 im Wesentlichen parallel zur ersten Seite der positiven Elektrode 424 ist.
  • Wie die in den 1A-1C dargestellte negative Elektrode 22 kann die negative Elektrode 422 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Festkörperteilchen 450 gebildet ist, die optional mit einer (ersten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 490 gemischt sind. Die negative Elektrode 422 kann ferner ein (erstes) polymeres Gelelektrolytsystem 482 enthalten, das zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den negativen elektroaktiven Festkörperteilchen 450 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 490 ausfüllt.
  • Wie die in 1A-1C dargestellte positive Elektrode 24 kann die positive Elektrode 424 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine Vielzahl positiver elektroaktiver Festkörperteilchen 460 gebildet ist, die optional mit einer (zweiten) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 492 gemischt sind. Die positive Elektrode 424 kann außerdem ein (zweites) polymeres Gelsystem 484 enthalten, das zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 460 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 492 ausfüllt. Das (zweite) polymere Gelsystem 484 kann mit dem (ersten) polymeren Gelsystem 482 identisch oder davon verschieden sein.
  • Wie die in den 1A-1C dargestellte Elektrolytschicht 26 kann die Elektrolytschicht 426 in Form einer Schicht vorliegen, die durch eine (dritte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 430 gebildet ist. Die Elektrolytschicht 26 kann ferner ein (drittes) polymeres Gelsystem 486 enthalten, das zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den positiven Festkörper-Elektrolytteilchen 430 ausfüllt. Das (dritte) polymere Gelsystem 486 kann gleich sein wie das (erste) polymere Gelsystem 482 und/oder das (zweite) polymere Gelsystem 484 oder sich davon unterscheiden.
  • Wie die in 1C dargestellte Festkörper-Zwischenschicht 102 kann die Festkörper-Zwischenschicht 402 die Elektrolytschicht 426 und die positive Elektrode 424 physisch trennen. Die Festkörper-Zwischenschicht 402 kann eine Dicke von einer Teilchenbreite aufweisen. Die Festkörper-Zwischenschicht 402 kann beispielsweise eine (vierte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 404 umfassen. Die Festkörperelektrolytteilchen 404 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,005 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 402 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm und in bestimmten Fällen optional etwa 4 µm haben. Die Festkörperelektrolytteilchen 404 können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich 0,005 µm bis weniger als oder gleich 5 µm haben, und die Festkörper-Zwischenschicht 402 kann eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 8 µm, optional mehr als oder gleich 0,1 µm bis weniger als oder gleich 5 µm und in bestimmten Fällen optional 4 µm haben.
  • Wie die in 1C dargestellten Festkörperelektrolytteilchen 104 können auch die Festkörperelektrolytteilchen 404 Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP), enthalten. In anderen Variationen können die Festkörperteilchen 204 andere Festkörperelektrolyte auf Oxidbasis umfassen, wie z.B. Granatkeramik, Oxide vom LISICON-Typ, Keramik vom Perowskit-Typ und/oder Oxide vom NASICON-Typ. In noch anderen Variationen können die Festkörperteilchen 404 Teilchen auf Nitrid-, Halogenid- und Borat-Basis enthalten.
  • Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass die Festkörper-Zwischenschicht 402 in bestimmten Variationen weiterhin eine Vielzahl von Durchgangslöchern enthalten kann, wie die in 2 abgebildete Festkörper-Zwischenschicht 202. In jeder Variation kann das (zweite) polymere Gelsystem 484 zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den Festkörperelektrolytteilchen 404 und/oder den positiven elektroaktiven Festkörperteilchen 460 und/oder den optionalen Festkörperelektrolytteilchen 492 ausfüllen. Obwohl nicht dargestellt, ist Fachleuten klar, dass in bestimmten Variationen eine weitere Festkörper-Zwischenschicht zwischen der zweiten Seite der negativen Elektrode 422 und der Elektrolytschicht 426 angeordnet sein kann.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung einer Batterie, wie der in 1C dargestellten Batterie 20, bereit. Das Verfahren kann die Herstellung einer ersten oder positiven Elektrode umfassen, die eine Vielzahl von ersten oder positiven elektroaktiven Festkörperteilchen und optional eine (erste) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthält. In bestimmten Variationen kann die Herstellung der positiven Elektrode das Inkontaktbringen positiver elektroaktiver Festkörperteilchen und optional der Festkörperelektrolytteilchen umfassen, um eine (erste) Aufschlämmung zu bilden, und das Anbringen der Aufschlämmung auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen eines (ersten) Stromkollektors. In solchen Fällen kann das Verfahren auch das Trocknen der Aufschlämmung umfassen, um die positive Elektrode zu bilden.
  • Das Verfahren umfasst ferner die Bildung einer Festkörper-Zwischenschicht auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der positiven Elektrode. Die Bildung der Festkörper-Zwischenschicht kann das Aufbringen einer Teilchenschicht auf die freiliegende Oberfläche der positiven Elektrode beinhalten. Die Teilchenschicht kann eine (zweite) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Weiterhin kann das Verfahren das Inkontaktbringen einer (ersten) polymeren Gelelektrolyt-Vorläuferflüssigkeit mit der positiven Elektrode und der Festkörper-Zwischenschicht umfassen. In solchen Fällen kann das Verfahren das Trocknen oder Reagieren (z.B. Vernetzen) der (ersten) Vorläuferflüssigkeit umfassen, um eine gelgestützte erste oder positive Elektrode zu bilden, die einen ersten polymeren Gelelektrolyten und die Festkörper-Zwischenschicht enthält.
  • Beispielsweise kann die positive Elektrode auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 10 °C bis weniger als oder gleich etwa 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf etwa 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional etwa 1 Stunde erhitzt werden, um die gelgestützte positive Elektrode, einschließlich der Festkörper-Zwischenschicht, zu bilden. Die positive Elektrode kann auf eine Temperatur von mehr als oder gleich 10 °C bis weniger als oder gleich 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional 1 Stunde erhitzt werden, um die gelgestützte positive Elektrode einschließlich der Festkörper-Zwischenschicht zu bilden.
  • In bestimmten Variationen kann das Verfahren ferner das Ausrichten der gelgestützten positiven Elektrode mit einer Festkörper-Zwischenschicht auf eine Elektrolytschicht und/oder eine zweite oder negative Elektrode umfassen. Die Elektrolytschicht kann eine freistehende Elektrolytschicht sein. In einigen Variationen kann die Elektrolytschicht eine (dritte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Elektrolytschicht kann hergestellt werden, indem eine (zweite) polymere Gelelektrolyt-Vorläuferflüssigkeit mit einer Vorläufer-Elektrolytschicht in Kontakt gebracht wird und die (zweite) Vorläuferflüssigkeit getrocknet oder zur Reaktion (z.B. Vernetzung) gebracht wird. Beispielsweise kann die Vorläufer-Elektrolytschicht, die die (zweite) Vorläuferflüssigkeit enthält, auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 10 °C bis weniger als oder gleich etwa 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf etwa 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional etwa 1 Stunde erhitzt werden, um die Elektrolytschicht zu bilden. Die Vorläufer-Elektrolytschicht, die die (zweite) Vorläuferflüssigkeit enthält, kann auf eine Temperatur von mehr als oder gleich 10 °C bis weniger als oder gleich 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional auf 1 Stunde erhitzt werden, um die Elektrolytschicht zu bilden.
  • Die negative Elektrode umfasst eine Vielzahl von zweiten oder negativen elektroaktiven Festkörperteilchen und optional eine (vierte) Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen. Die negative Elektrode kann hergestellt werden, indem eine (dritte) polymere Gelelektrolyt-Vorläuferflüssigkeit mit einem Anodenvorläufer in Kontakt gebracht und die (dritte) Vorläuferflüssigkeit getrocknet oder zur Reaktion gebracht (z.B. vernetzt) wird, um die gelgestützte negative Elektrode zu bilden. Beispielsweise kann die negative Vorläuferelektrode, die die (dritte) Vorläuferflüssigkeit enthält, auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 10 °C bis weniger als oder gleich etwa 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf etwa 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional auf etwa 1 Stunde erhitzt werden, um die gelgestützte negative Elektrode zu bilden. Die negative Vorläuferelektrode, die die (dritte) Vorläuferflüssigkeit enthält, kann auf eine Temperatur von mehr als oder gleich 10 °C bis weniger als oder gleich 200 °C und in bestimmten Aspekten optional auf 25 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich 0,1 Stunden bis weniger als oder gleich 48 Stunden und in bestimmten Aspekten optional auf 1 Stunde erhitzt werden, um die gelgestützte negative Elektrode zu bilden.
  • Die dritte Vorläuferflüssigkeit kann mit der zweiten Vorläuferflüssigkeit identisch sein oder sich von ihr unterscheiden, und die zweite Vorläuferflüssigkeit kann mit der ersten Vorläuferflüssigkeit identisch sein oder sich von ihr unterscheiden. Ebenso kann die erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen gleich oder verschieden von der dritten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen sein, und die dritte Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen kann gleich oder verschieden von der vierten Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen sein.
  • In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung weitere Verfahren zur Herstellung einer Batterie, wie die in 1C dargestellte Batterie 20, bereit.
  • Das Verfahren kann die Herstellung einer ersten oder positiven Elektrode mit einer Festkörper-Zwischenschicht umfassen. Die Verfahren können ferner das Ausrichten der positiven Elektrode mit einer Elektrolytschicht und/oder einer zweiten oder negativen Elektrode zur Bildung einer Zelle umfassen. In solchen Fällen kann ein polymerer Gelvorläufer zu der zusammengesetzten Zelle hinzugefügt und anschließend getrocknet oder zur Reaktion (z.B. Vernetzung) gebracht werden, um das gelgestützte Elektrolytsystem zu bilden. In bestimmten Variationen kann das Verfahren auch die Herstellung der Elektrolytschicht und/oder der negativen Elektrode umfassen.
  • Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1
  • Beispielhafte Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Beispielsweise kann eine beispielhafte Batteriezelle 510 hergestellt werden, die eine Festkörper-Zwischenschicht enthält - beispielsweise die Festkörper-Zwischenschicht 102, wie in 1C dargestellt, die Festkörper-Zwischenschicht 202, wie in 2 dargestellt, die Festkörper-Zwischenschicht 302, wie in 3 dargestellt, und/oder die Festkörper-Zwischenschicht 402, wie in 4 dargestellt. Eine Vergleichsbatteriezelle 520 kann eine ähnliche Batteriekonfiguration wie die beispielhafte Batteriezelle 510 aufweisen, wobei jedoch die Festkörper-Zwischenschicht weggelassen wird.
  • 5A ist eine graphische Darstellung der thermischen Stabilität der beispielhaften Batteriezelle 510, wobei die x-Achse 500 die Zeit (Stunden) und die y-Achse 502 die Spannung (V) während des Ladens und Entladens zwischen etwa 30 % Ladezustand („SOC“) und etwa 60 % Ladezustand („SOC“) bei hohen Betriebstemperaturen darstellt. 5B ist eine graphische Darstellung der thermischen Stabilität der Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die x-Achse 504 die Zeit (Stunden) und die y-Achse 506 die Spannung (V) während des Ladens und Entladens zwischen etwa 30 % Ladezustand („SOC“) und etwa 60 % Ladezustand („SOC“) bei hohen Betriebstemperaturen darstellt. Wie dargestellt, weist die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellte beispielhafte Batteriezelle 510 eine verbesserte thermische Langzeitstabilität auf.
  • 6 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung der beispielhaften Batteriezelle 510 und der Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die y-Achse 600 die Kapazitätserhaltung (%) darstellt. Wie dargestellt, steht 602 für eine noch nicht zyklisch betriebene beispielhafte Batteriezelle 510, 604 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 510 Zyklen, 606 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 1020 Zyklen, 608 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 1530 Zyklen, 610 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 2040 Zyklen, 612 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 2550 Zyklen, 614 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 3060 Zyklen, und 616 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 3570 Zyklen. Wie dargestellt, steht 622 für eine noch nicht zyklisch betriebene Vergleichsbatteriezelle 520, 624 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 510 Zyklen, 626 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 1020 Zyklen, 628 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 1530 Zyklen, 630 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 2040 Zyklen, 632 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 2550 Zyklen und 634 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 3060 Zyklen. Wie dargestellt, hat die beispielhafte Batteriezelle 510, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, eine verbesserte Kapazitätserhaltung während des Zyklusbetriebs bei hohen Temperaturen.
  • 7 ist eine graphische Darstellung des Gleichstromwiderstands („DCR“) der beispielhaften Batteriezelle 510 und der Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die y-Achse 700 den Gleichstromwiderstand („DCR“) in mOhm darstellt. Wie dargestellt, steht 702 für eine noch nicht zyklisch betriebene beispielhafte Batteriezelle 510, 704 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 510 Zyklen, 706 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 1020 Zyklen, 708 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 1530 Zyklen, 710 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 2040 Zyklen, 712 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 2550 Zyklen, 714 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 3060 Zyklen und 716 für die beispielhafte Batteriezelle 510 nach 3570 Zyklen. Wie dargestellt, steht 722 für eine noch nicht zyklisch betriebene Vergleichsbatteriezelle 520, 724 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 510 Zyklen, 726 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 1020 Zyklen, 728 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 1530 Zyklen, 730 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 2040 Zyklen, 732 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 2550 Zyklen, 734 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 3060 Zyklen und 736 für die Vergleichsbatteriezelle 520 nach 3570 Zyklen. Wie dargestellt, hat die beispielhafte Batteriezelle 510, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, einen geringeren Zellenwiderstand und eine geringere Widerstandserhöhungsrate während des Hochtemperaturzyklusbetriebs.
  • 8 ist eine graphische Darstellung der Start-, Beleuchtungs- und Zündvorgänge (starting, lighting, ignition („SLI“) cranking) nach Hochtemperaturzyklen der beispielhaften Batteriezelle 510 und der Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die x-Achse 800 die Zykluszeiten und die y-Achse 802 die Spannung (V) darstellt. Wie dargestellt, hat die beispielhafte Batteriezelle 510, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, eine verbesserte Kaltstartfähigkeit (cold-cranking capability) nach Hochtemperaturzyklen.
  • 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 Elektrode mit einer Vielzahl von elektroaktiven Festkörperteilchen; eine Festkörperelektrolytschicht; und eine Festkörper-Zwischenschicht, die zwischen der Elektrode und der Festkörperelektrolytschicht angeordnet ist, wobei die Festkörper-Zwischenschicht eine Vielzahl von ersten Festkörperelektrolytteilchen umfasst und die Festkörper-Zwischenschicht eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,1 µm bis weniger als oder gleich etwa 8 µm aufweist.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die ersten Festkörperelektrolytteilchen aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: Li1+xAlxTi2-x(PO4)3, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4,), Li7La3Zr2O12, Li6,2Ga0,3La2,95Rb0,05Zr2O12, Li6,85La2,9Ca0,1Z1,75Nb0,25O12, Li2+2xZn1-xGeO4 (wobei 0 < x < 1), Li14Zn(GeO4)4, Li3,3La0,53TiO3, LiSr1,65Zr1,3Ta1,7O9, Li2x-ySr1-xTayZr1-yO3 (mit x = 0,75 y und 0,60 < y < 0,75), Li1+xAlxGe2-x(PO4)3 (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP), Li1,4Al0,4Ti1,6(PO4)3, Li1,3Al0,3Ti1,7(PO4)3, LiTi2(PO4)3, Li3N, Li7PN4, LiSi2N3, Lil, Li3inCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, LiCdI4, Li2ZnI4, Li3OCl, Li3YCl6, Li3YBr6, Li2B4O7, Li2O-B2O3-P2O5 und Kombinationen davon.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei die Elektrode eine Vielzahl von zweiten Festkörperelektrolytteilchen umfasst.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei die zweiten Festkörperelektrolytteilchen die gleichen sind wie die ersten Elektrolytteilchen.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei die Festkörperelektrolytschicht eine Vielzahl von zweiten Elektrolytteilchen umfasst, wobei sich die zweiten Elektrolytteilchen von den ersten Elektrolytteilchen unterscheiden.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei die Festkörperelektrolytschicht ferner einen polymeren Gelelektrolyten umfasst, der zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den zweiten Elektrolytteilchen ausfüllt.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörperelektrolytschicht eine freistehende Membran ist, die durch ein polymeres Gel gebildet ist, wobei die freistehende Membran eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm aufweist.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen polymeren Gelelektrolyten, der zumindest teilweise die Hohlräume zwischen den elektroaktiven Festkörperteilchen und den ersten Festkörperelektrolytteilchen ausfüllt.
  9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörper-Zwischenschicht mehr als oder gleich etwa 50 % bis weniger als oder gleich etwa 100 % der gesamten Oberfläche der Elektrode bedeckt, die der Festkörperelektrolytschicht zugewandt ist.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörper-Zwischenschicht eine Vielzahl von darin verteilten Durchgangslöchern umfasst, wobei die Durchgangslöcher einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm aufweisen.
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