DE102022117456A1 - Gel-polymer-elektrolyt für elektrochemische zellen - Google Patents

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Abstract

Ein Gel-Polymer-Elektrolyt für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, umfasst eine Polymermatrix, die mit einer flüssigen Elektrolytlösung infiltriert ist. Die Polymermatrix umfasst Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen. Die flüssige Elektrolytlösung umfasst ein nichtwässriges organisches Lösungsmittel, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel. Das erste Lithiumsalz umfasst Lithiumdifluor(oxalato)borat und das zweite Lithiumsalz umfasst Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid.

Description

  • EINLEITUNG
  • Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektrolyte für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren, und insbesondere auf Gel-Polymer-Elektrolyte, die eine flüssige Elektrolytlösung und eine Polymermatrix umfassen, die als Wirt für die flüssige Elektrolytlösung dient.
  • Elektrochemische Zellen von Lithium-Sekundärbatterien umfassen im Allgemeinen eine negative Elektrode, eine von der negativen Elektrode beabstandete positive Elektrode und einen ionenleitenden Elektrolyten, der ein Medium für die Leitung von Lithiumionen zwischen der negativen und der positiven Elektrode während der Entladung und Wiederaufladung der elektrochemischen Zelle bereitstellt. Der ionenleitende Elektrolyt kann in Form eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Hybrids aus Feststoff und Flüssigkeit vorliegen. Gel-Polymer-Elektrolyte sind Hybride und umfassen eine Polymermatrix, die mit einer flüssigen Elektrolytlösung infiltriert ist, die im Allgemeinen ein Lithiumsalz umfasst, das in einem oder mehreren nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst oder dispergiert ist. Die flüssige Elektrolytlösung dient als Lithiumionenweg durch die Polymermatrix, während die Polymermatrix dem Gel-Polymer-Elektrolyten mechanische Stabilität verleiht. Die Elektrolyte von Lithium-Sekundärbatterien können so formuliert sein, dass sie über einen weiten Betriebstemperaturbereich bestimmte wünschenswerte Eigenschaften aufweisen. Derartige wünschenswerte Eigenschaften umfassen eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine hohe Dielektrizitätskonstante (die mit einer hohen Fähigkeit, Salze zu lösen, zusammenhängt), eine gute Wärmebeständigkeit, ein breites elektrochemisches Stabilitätsfenster, die Fähigkeit, eine stabile ionenleitende Festelektrolyt-Zwischenphase (Solid Electrolyte Interface, SEI) auf der Oberfläche der negativen Elektrode zu bilden, die Fähigkeit, einen robusten Grenzflächenkontakt mit Elektrodenoberflächen aufrechtzuerhalten, die Fähigkeit, die Bildung von moosigem oder dendritischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode zu verhindern, und die chemische Kompatibilität mit anderen Bestandteilen der elektrochemischen Zelle.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
  • Es ist ein Gel-Polymer-Elektrolyt für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, offenbart. Der Gel-Polymer-Elektrolyt umfasst eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel. Die Polymermatrix umfasst Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen. Das erste Lithiumsalz umfasst Lithiumdifluor(oxalato)borat und das zweite Lithiumsalz umfasst Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)im id.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann selbstverlöschend sein.
  • Das nichtwässrige organische Lösungsmittel kann ein cyclisches Carbonat, ein Lacton, ein Nitril, ein Sulfon, ein Ether, ein Phosphat oder eine Kombination davon umfassen.
  • Bei einigen Aspekten kann das nichtwässrige organische Lösungsmittel ein Gemisch aus einem ersten und einem zweiten Lösungsmittel umfassen. Das erste Lösungsmittel kann Propylencarbonat umfassen und das zweite Lösungsmittel kann Fluorethylencarbonat umfassen. In diesem Fall kann das Volumenverhältnis des ersten Lösungsmittels zum zweiten Lösungsmittel in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,5:9,5 bis kleiner oder gleich ungefähr 9,5:0,5 sein.
  • Die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter betragen. Die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter betragen. Die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer sein als die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel.
  • Die Gesamtkonzentration des ersten Lithiumsalzes und des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 Mol pro Liter betragen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann im Wesentlichen aus der Polymermatrix, dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel, dem ersten Lithiumsalz und dem zweiten Lithiumsalz bestehen, wobei das erste Lithiumsalz im Wesentlichen aus Lithiumdifluor(oxalato)borat bestehen kann und das zweite Lithiumsalz im Wesentlichen aus Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid bestehen kann.
  • In Kombination können das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen. Die Polymermatrix kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen.
  • Die Polymermatrix kann ferner Polyethylenoxid, Polyacrylsäure, Polymethylmethacrylat, Carboxymethylcellulose, Polyacrylnitril, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder eine Kombination davon umfassen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann ferner ein drittes Lithiumsalz umfassen. Das dritte Lithiumsalz kann Lithiumbis(oxalato)borat, Lithiumtetracyanoborat, Lithiumtetrafluorborat, Lithiumbis(monofluoromalonato)borat, Lithiumtrifluormethansulfonat, Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid, Lithiumcyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid, Lithiumbis(perfluorethansulfonyl)imid, Lithiumcyclohexafluorpropan-1,1-bis(sulfonyl)imid oder eine Kombination davon umfassen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann im Wesentlichen frei von Lithiumhexafluorophosphat sein.
  • Es ist eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, offenbart. Die elektrochemische Zelle umfasst einen der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor, eine auf dem der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnete positive Elektrodenschicht, einen der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor, einen zwischen der positiven Elektrodenschicht und dem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordneten porösen Separator und einen Gel-Polymer-Elektrolyten, der offene Poren in der positiven Elektrodenschicht und im porösen Separator infiltriert. Die positive Elektrodenschicht weist eine Stirnfläche auf und umfasst elektroaktive Materialteilchen. Der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor weist eine Hauptfläche auf, die der Stirnfläche der positiven Elektrodenschicht gegenüberliegt. Der Gel-Polymer-Elektrolyt umfasst eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel. Die Polymermatrix umfasst Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen. Das erste Lithiumsalz umfasst Lithiumdifluor(oxalato)borat. Das zweite Lithiumsalz umfasst Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid.
  • Das nichtwässrige organische Lösungsmittel kann ein Gemisch aus Propylencarbonat und Fluorethylencarbonat umfassen.
  • Die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter betragen. Die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 0,4 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,0 Mol pro Liter betragen. Die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel kann größer sein als die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel.
  • In Kombination können das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen. Die Polymermatrix kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen.
  • Die elektrochemische Zelle kann ferner eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht und eine Grenzflächenschicht umfassen, die in situ auf einer Stirnfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht gebildet ist. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht kann elektrochemisch auf einer Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors abgeschieden sein. Die Stirnfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht kann der Stirnfläche der positiven Elektrodenschicht gegenüberliegen. Die Grenzflächenschicht kann sich im Wesentlichen durchgehend entlang einer Grenzfläche zwischen dem porösen Separator und der Stirnfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht erstrecken.
  • Die Grenzflächenschicht kann elektrochemische Reduktionsprodukte einer oder mehrerer Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten umfassen. In diesem Fall können die elektrochemischen Reduktionsprodukte ein fluorhaltiges Oligomer, ein borhaltiges Oligomer, Lithiumbis[N-(trifluoromethylsulfonylimino)]-trifluoromethansulfonat, Lithiumfluorid, Lithiumoxid, Lithiumsulfid, Lithiumdithionit, Lithiumsulfit, Lithiumnitrid oder eine Kombination davon umfassen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann selbstverlöschend sein.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann im Wesentlichen frei von Lithiumhexafluorophosphat sein.
  • Es ist eine weitere elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, offenbart. Die elektrochemische Zelle umfasst einen der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor, eine auf der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors angeordnete positive Elektrodenschicht, einen der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor, eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht, die elektrochemisch auf einer Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors abgeschieden ist, einen zwischen der positiven Elektrodenschicht und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht angeordneten porösen Separator und einen Gel-Polymer-Elektrolyten, der offene Poren in der positiven Elektrodenschicht und im porösen Separator infiltriert. Die positive Elektrodenschicht umfasst elektroaktive Materialteilchen. Die Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors liegt der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors gegenüber. Der Gel-Polymer-Elektrolyt erstreckt sich im Wesentlichen durchgehend zwischen der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht. Der Gel-Polymer-Elektrolyt umfasst eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel. Die Polymermatrix umfasst Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen. Das nichtwässrige organische Lösungsmittel umfasst ein Gemisch aus Propylencarbonat und Fluorethylencarbonat. Das erste Lithiumsalz umfasst Lithiumdifluor(oxalato)borat. Das zweite Lithiumsalz umfasst Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid.
  • Die elektroaktiven Materialteilchen in der positiven Elektrodenschicht können jeweils wenigstens teilweise von dem Gel-Polymer-Elektrolyten umhüllt sein.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt kann größer oder gleich ungefähr 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Vol.-% der offenen Poren in der positiven Elektrodenschicht und im porösen Separator ausfüllen.
  • Der poröse Separator kann eine mikroporöse Polymermembran umfassen.
  • Der poröse Separator kann eine Festelektrolytschicht umfassen. Die Festelektrolytschicht kann anorganische Festelektrolytmaterialteilchen umfassen. Die anorganischen Festelektrolytmaterialteilchen können elektrisch isolierend und ionenleitend sein. Die anorganischen Festelektrolytmaterialteilchen können jeweils wenigstens teilweise von dem Gel-Polymer-Elektrolyten umhüllt sein.
  • Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht kann größer oder gleich ungefähr 97 Gew.-% Lithium umfassen.
  • Die elektroaktiven Materialteilchen der positiven Elektrodenschicht können ein Lithiumübergangsmetalloxid der Formel LiMeO2, LiMePO4, Li3Me2(PO4)3, LiMe2O4, LiMeSO4F LiMePO4F oder eine Kombination davon umfassen, wobei Me Co, Ni, Mn, Fe, Al, V oder eine Kombination davon ist.
  • Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
    • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, mit einer positiven Elektrodenschicht, die auf einem der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, einer negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht, die auf einem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, und einem porösen polymeren Separator, der zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei Poren der positiven Elektrodenschicht und des porösen polymeren Separators mit einem Gel-Polymer-Elektrolyten infiltriert sind.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung der elektrochemischen Zelle von 1 vor der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle und vor der Abscheidung der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht auf dem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor.
    • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren elektrochemischen Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, mit einer positiven Elektrodenschicht, die auf einem der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, einer negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht, die auf einem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, und eine Festelektrolytschicht, die zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei Poren der positiven Elektrodenschicht und der Festelektrolytschicht mit einem Gel-Polymer-Elektrolyten infiltriert sind.
  • Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
  • Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
  • Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
  • Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
  • Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
  • In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar und schließen geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, ein. Anders als bei den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
  • Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
  • Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Material“ austauschbar verwendet, um sich allgemein auf eine Substanz zu beziehen, die wenigstens die bevorzugten chemischen Bestandteile, Elemente oder Verbindungen enthält, die aber auch zusätzliche Elemente, Verbindungen oder Substanzen, einschließlich Spuren von Verunreinigungen, enthalten kann, sofern nicht anders angegeben.
  • Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen frei von“ kleiner ungefähr 1 %, vorzugsweise kleiner ungefähr 0,8 %, noch bevorzugter kleiner ungefähr 0,5 %, noch bevorzugter kleiner ungefähr 0,3 %, am meisten bevorzugt ungefähr 0 %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung oder des Materials.
  • Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Gel-Polymer-Elektrolyte für elektrochemische Zellen, die Lithiumionen zyklisieren und negative Lithiummetall-Elektrodenschichten umfassen. Bei einigen Aspekten können die vorliegend offenbarten elektrochemischen Zellen als „anodenfrei“ bezeichnet werden, da die elektrochemischen Zellen anfänglich ohne eine negative Elektrodenschicht zusammengebaut werden können, aber während ihrer ersten Aufladung Lithiummetall auf einem blanken, der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor ohne ein Interkalationswirtsmaterial abgeschieden werden kann, wodurch eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht gebildet wird.
  • Die vorliegend offenbarten Gel-Polymer-Elektrolyte sind so formuliert, dass sie den elektrochemischen Zellen eine verbesserte Zyklisierungsstabilität und einen hohen coulombschen Wirkungsgrad verleihen. Zum Beispiel können die Gel-Polymer-Elektrolyte während der ersten Aufladung der elektrochemischen Zellen mit Lithium entlang der Oberflächen eines der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors reagieren, um robuste Festelektrolyt-Zwischenphasen (SEI) zu bilden. Beim Zyklisieren der elektrochemischen Zellen können die so gebildeten Festelektrolyt-Zwischenphasen die elektrochemische Abscheidung relativ glatter und dichter negativer Lithiummetall-Elektrodenschichten auf den der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektoren fördern. Darüber hinaus sind die Gel-Polymer-Elektrolyte so formuliert, dass sie die elektrochemischen Zellen flammhemmend machen, z. B. können die Gel-Polymer-Elektrolyte selbstverlöschend und/oder nicht brennbar sein.
  • Die vorliegend offenbarten Gel-Polymer-Elektrolyte umfassen eine Polymermatrix, ein nichtwässriges organisches Lösungsmittel, ein erstes Lithiumsalz, das in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist, und ein zweites Lithiumsalz, das in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel gelöst oder dispergiert ist. Das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz infiltrieren die poröse Polymermatrix, die als Wirt für das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz dient. Die Polymermatrix umfasst ein Copolymer aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Hexafluorpropylen (HFP). Bei einigen Aspekten kann das nichtwässrige organische Lösungsmittel eine Mischung aus Propylencarbonat (PC) und Fluorethylencarbonat (FEC) umfassen. Das erste Lithiumsalz kann Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) umfassen und das zweite Lithiumsalz kann Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI) umfassen. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die nichtwässrige organische Lösungsmittelmischung und die Kombination aus LiDFOB und LiTFSI in den vorliegend offenbarten Gel-Polymer-Elektrolyten die Zyklisierungsstabilität und den coulombschen Wirkungsgrad von elektrochemischen Zellen, die die Gel-Polymer-Elektrolyte umfassen, synergistisch verbessern können, im Gegensatz zu elektrochemischen Zellen mit Gel-Polymer-Elektrolyten, die in erster Linie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Lithiumsalz und/oder Gemische aus Ethylencarbonat (EC) und Diethylcarbonat (DEC) als organische Lösungsmittel umfassen. Das erste und das zweite Lithiumsalz der vorliegend offenbarten Gel-Polymer-Elektrolyte können beispielsweise die Bildung einer relativ dünnen, stabilen Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI) auf der Oberfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht fördern und/oder die Bildung von moosigem oder dendritischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht während wiederholter Zyklisierung der elektrochemischen Zellen hemmen.
  • 1 zeigt eine elektrochemische Zelle 10, die mit einer oder mehreren zusätzlichen elektrochemischen Zellen kombiniert werden kann, um eine Batterie zu bilden, die Lithiumionen zyklisiert, z. B. eine Lithiummetall-Sekundärbatterie. Die elektrochemische Zelle 10 umfasst eine positive Elektrodenschicht 12, eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14, einen porösen Separator 16, der zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 angeordnet ist, und einen Gel-Polymer-Elektrolyten 18, der ein Medium für die Leitung von Lithiumionen zwischen der positiven Elektrodenschicht 12 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 durch den porösen Separator 16 bereitstellt. Die positive Elektrodenschicht 12 ist auf einer Hauptfläche 20 eines der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors 22 angeordnet und weist eine erste Stirnfläche 24 auf, die der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 zugewandt ist. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 ist elektrochemisch auf einer Hauptfläche 26 eines der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 abgeschieden und weist eine zweite, der positiven Elektrodenschicht 12 zugewandte Stirnfläche 30 auf. Der poröse Separator 16 isoliert die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14 elektrisch voneinander. Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 infiltriert die Poren des porösen Separators 16 und der positiven Elektrodenschicht 12. In der Praxis können der der positiven Elektrode zugeordnete und der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 22, 28 über einen externen Stromkreis 24 elektrisch mit einer Last und/oder einer Stromquelle 32 gekoppelt sein.
  • Die elektrochemische Zelle 10 kann in Fahrzeugen oder Transportanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) sowie in einer Vielzahl anderer Industrien und Anwendungen verwendet werden, die zum Beispiel (nicht einschränkend) Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Geräte, Gebäude (z. B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbel und Maschinen für Industrieausrüstung, landwirtschaftliche Geräte, Landmaschinen oder Schwermaschinen umfassen. Bei bestimmten Aspekten kann die elektrochemische Zelle 10 in Hybridelektrofahrzeugen (HEVs) und/oder Elektrofahrzeugen (EVs) eingesetzt werden.
  • Wie in 2 gezeigt, kann die elektrochemische Zelle 10 ohne eine negative Lithium-Metall-Elektrodenschicht 14 zusammengebaut werden. In diesem Fall ist die Hauptfläche 26 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 nach dem ersten Zusammenbau im Wesentlichen blank und steht in direktem physischem Kontakt mit dem porösen Separator 16. Beim ersten Aufladen der elektrochemischen Zelle 10 durch die Stromquelle 32 werden Lithiumionen aus der positiven Elektrodenschicht 12 freigesetzt und elektrochemisch auf der Hauptfläche 26 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 abgeschieden oder plattiert, wobei das elektrochemisch abgeschiedene Lithium in situ die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 bildet. Wenn die elektrochemische Zelle 10 wenigstens teilweise aufgeladen ist, entsteht eine Differenz beim elektrochemischen Potenzial zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14. Während der Entladung der elektrochemischen Zelle 10 führt das zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 entstandene elektrochemische Potenzial zu spontanen Redoxreaktionen innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 und zur Freisetzung von Lithiumionen und Elektronen aus der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14. Die freigesetzten Lithiumionen wandern von der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 durch den porösen Separator 16 und den Gel-Polymer-Elektrolyten 18 zur positiven Elektrodenschicht 12. Gleichzeitig wandern die Elektronen von der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 über den externen Stromkreis 34 zur positiven Elektrodenschicht 12, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Nachdem die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 teilweise oder vollständig von Lithium entleert wurde, kann die elektrochemische Zelle 10 wieder aufgeladen werden, indem der der positiven Elektrode zugeordnete und der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 22, 28 der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 an die Stromquelle 32 angeschlossen werden, was nicht spontane Redoxreaktionen innerhalb der elektrochemischen Zelle 10 und die Freisetzung der Lithiumionen und der Elektronen aus der positiven Elektrodenschicht 12 bewirkt. Wie hierin verwendet, kann das wiederholte Laden und Entladen der elektrochemischen Zelle 10 als „Zyklisieren“ bezeichnet werden, wobei ein vollständiger Ladevorgang gefolgt von einem vollständigen Entladevorgang als vollständiger Zyklus gilt.
  • Die positive Elektrodenschicht 12 kann in Form einer im Wesentlichen durchgehenden porösen Materialschicht vorliegen und ein oder mehrere elektrochemisch aktive Materialien umfassen, die eine reversible Redoxreaktion mit Lithium bei einem höheren elektrochemischen Potenzial eingehen können als das elektrochemisch aktive Material der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14, sodass zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 eine Differenz beim elektrochemischen Potenzial besteht. Die positive Elektrodenschicht 12 kann beispielsweise ein Material umfassen, das eine Lithium-Interkalation und -Deinterkalation oder eine Umwandlung durch Reaktion mit Lithium eingehen kann. Bei einigen Aspekten kann die positive Elektrodenschicht 12 ein Interkalationswirtsmaterial umfassen, das die reversible Einlagerung oder Interkalation von Lithiumionen eingehen kann. In einem solchen Fall kann das Interkalationswirtsmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 ein geschichtetes Oxid der Formel LiMeO2, ein Oxid vom Olivin-Typ der Formel LiMePO4, ein Oxid vom monoklinen Typ der Formel Li3Me2(PO4)3, ein Oxid vom Spinell-Typ der Formel LiMe2O4, einen Tavorit der Formel LiMeSO4F und/oder LiMePO4F oder eine Kombination davon umfassen, wobei Me ein Übergangsmetall ist (z. B. Co, Ni, Mn, Fe, Al, V oder eine Kombination davon). Bei weiteren Aspekten kann die positive Elektrodenschicht 12 ein Umwandlungsmaterial umfassen, das eine Komponente enthält, die eine reversible elektrochemische Reaktion mit Lithium eingehen kann, bei der die Komponente eine Phasenänderung oder eine Änderung der kristallinen Struktur durchläuft, die mit einer Änderung des Oxidationszustands einhergeht. In diesem Fall kann das Umwandlungsmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 Schwefel, Selen, Tellur, lod, ein Halogenid (z. B. ein Fluorid oder Chlorid), Sulfid, Selenid, Tellurid, Iodid, Phosphid, Nitrid, Oxid, Oxysulfid, Oxyfluorid, Schwefelfluorid, Schwefeloxyfluorid oder eine Lithium- und/oder Metallverbindung davon umfassen. Beispiele für Metalle, die in das Umwandlungsmaterial der positiven Elektrodenschicht 12 aufgenommen werden können, umfassen Eisen, Mangan, Nickel, Kupfer und Cobalt. Bei einigen Aspekten kann das elektrochemisch aktive Material der positiven Elektrodenschicht 12 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi0.5Mn1,5O4, LiV2(PO4)3 und/oder LiMn0.7Fe0.3PO4 umfassen.
  • Das elektrochemisch aktive Material der positiven Elektrodenschicht 12 kann ein teilchenförmiges Material sein und die positive Elektrodenschicht 12 kann eine Vielzahl von im Wesentlichen homogen verteilten elektrochemisch aktiven (elektroaktiven) Materialteilchen 36 umfassen. Die elektroaktiven Materialteilchen 36 können einen D50-Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,01 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Mikrometern aufweisen. Die elektroaktiven Materialteilchen 36 können größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 12 ausmachen. Die elektroaktiven Materialteilchen 36 können die positive Elektrodenschicht 12 mit einer Flächenkapazität von größer oder gleich ungefähr 0,5 Milliamperestunden pro Quadratzentimeter (mAh/cm2) bis kleiner oder gleich ungefähr 10 mAh/cm2 bzw. größer oder gleich ungefähr 0,5 mAh/cm2 bis kleiner oder gleich ungefähr 3 mAh/cm2 versehen. Beispielsweise können die elektroaktiven Materialteilchen 36 der positiven Elektrodenschicht 12 eine Flächenkapazität von ungefähr einem (1) mAh/cm2 verleihen.
  • In der positiven Elektrodenschicht 12 können die elektroaktiven Materialteilchen 36 mit einem polymeren Bindemittel (nicht gezeigt) vermischt sein, das der positiven Elektrodenschicht 12 strukturelle Intaktheit verleiht. Beispiele für polymere Bindemittel umfassen Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Polyacrylate, Alginate, Polyacrylsäure und Kombinationen davon. Das polymere Bindemittel kann größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 12 ausmachen.
  • Die positive Elektrodenschicht 12 kann optional Teilchen eines elektrisch leitenden Materials (nicht gezeigt) umfassen. Beispiele für elektrisch leitende Materialien umfassen kohlenstoffbasierte Materialien, Metalle (z. B. Nickel) und/oder elektrisch leitende Polymere. Beispiele für elektrisch leitende kohlenstoffbasierte Materialien umfassen Industrieruß (z. B. Acetylenschwarz), Graphit, Graphen (z. B. Graphennanoplättchen), Graphenoxid, Kohlenstoffnanoröhren und/oder Kohlenstofffasern (z. B. Kohlenstoffnanofasern). Beispiele für elektrisch leitende Polymere umfassen Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen und/oder Polypyrrol. Die elektrisch leitenden Materialteilchen können größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 12 ausmachen.
  • Die positive Elektrodenschicht 12 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 200 Mikrometern und eine Porosität im Bereich von ungefähr 5 % bis ungefähr 40 % aufweisen.
  • Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 kann in Form einer Lithiummetallschicht vorliegen. Bei einigen Aspekten kann die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 im Wesentlichen porenfrei sein. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 kann eine Lithiummetalllegierung umfassen oder im Wesentlichen aus Lithiummetall (Li-Metall) bestehen. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 kann zum Beispiel größer oder gleich ungefähr 97 Gew.-% Lithium bzw. größer oder gleich ungefähr 99 Gew.-% Lithium umfassen. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 umfasst keine anderen Elemente oder Verbindungen, die während des Betriebs der elektrochemischen Zelle 10 eine reversible Redoxreaktion mit Lithium eingehen. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 umfasst beispielsweise kein Interkalationswirtsmaterial, das so formuliert ist, dass es die reversible Einlagerung oder Interkalation von Lithiumionen eingeht, bzw. kein Legierungsmaterial, das elektrochemisch legieren und mit Lithium Verbundphasen bilden kann, und ist im Wesentlichen frei davon. Darüber hinaus umfasst die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 kein Umwandlungsmaterial oder Legierungsmaterial, das elektrochemisch legieren und mit Lithium Verbindungsphasen bilden kann, und ist im Wesentlichen frei davon. Beispiele für Materialien, die von der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 ausgeschlossen werden können, umfassen kohlenstoffbasierte Materialien (z. B. Graphit, Aktivkohle, Industrieruß und Graphen), Silicium und siliciumbasierte Materialien, Zinnoxid, Aluminium, Indium, Zink, Cadmium, Blei, Germanium, Zinn, Antimon, Titanoxid, Lithiumtitanoxid, Lithiumtitanat, andere Metalloxide als Lithiumoxid (z. B. Eisenoxid, Cobaltoxid, Manganoxid, Kupferoxid und/oder Nickeloxid), Metallsulfide und Metallnitride (z. B. Phosphide, Sulfide und/oder Nitride von Eisen, Mangan, Nickel, Kupfer und/oder Cobalt).
  • Ist die elektrochemische Zelle 10 wenigstens teilweise aufgeladen, kann die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 600 Mikrometern aufweisen.
  • Eine Grenzflächenschicht 38 kann sich grundsätzlich in situ entlang der Hauptfläche 26 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 über der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 bilden, z. B. während der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10. Ist die elektrochemische Zelle 10 wenigstens teilweise aufgeladen, kann sich die Grenzflächenschicht 38 im Wesentlichen durchgehend entlang einer Grenzfläche zwischen dem porösen Separator 16 und der Stirnfläche 30 der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 erstrecken. Ist die elektrochemische Zelle 10 vollständig entladen, kann sich die Grenzflächenschicht 38 im Wesentlichen durchgehend entlang einer Grenzfläche zwischen dem porösen Separator 16 und der Stirnfläche 26 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 erstrecken. Die Grenzflächenschicht 38 ist elektrisch isolierend und ionenleitend und kann sich grundsätzlich während des Ladens der elektrochemischen Zelle 10 in situ auf der Stirnfläche 30 der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 bilden, beispielsweise aufgrund des niedrigen Reduktionspotenzials der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 (-3,04 V gegenüber dem standardmäßigen Wasserstoffpotenzial), das die Reduktion einer oder mehrerer Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 fördern kann. Bei einigen Aspekten kann die Grenzflächenschicht 38 im Wesentlichen aus Produkten der elektrochemischen Reduktion einer oder mehrerer Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 auf der Oberfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 bestehen.
  • Produkte der elektrochemischen Reduktion von Difluor(oxalato)borat (LiDFOB) können Lithiumoxalat (L2C2O4), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Lithiumfluorid (LiF), bor- und/oder fluorhaltige Oligomere und Kombinationen davon umfassen. Produkte der elektrochemischen Reduktion von Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI) können Lithiumbis[N-(trifluoromethylsulfonylimino)]-trifluoromethansulfonat, LiF, Lithiumoxid (Li2O), Lithiumsulfid (Li2S), Lithiumdithionit (Li2S2O4), Lithiumsulfit (Li2SO3), Lithiumnitrid (Li3N) und Kombinationen davon umfassen. Daher kann die Grenzflächenschicht 38 bei einigen Aspekten L2C2O4, Li2CO3, LiF, bor- und/oder fluorhaltige Oligomere, Lithium-bis[N-(trifluoromethylsulfonylimino)]-trifluoromethansulfonat, Li2O, Li2S, Li2S2O4, Li2SO3, Li3N oder eine Kombination davon umfassen.
  • Die Produkte der elektrochemischen Reduktion von Propylencarbonat (PC) können Li2CO3, Propylen (CH2=CH-CH3), Lithium-Ethylen-Dicarbonat (CH2OCO2Li)2 und Kombinationen davon umfassen. Die Produkte der elektrochemischen Reduktion von Fluorethylencarbonat (FEC) können Li2CO3, Vinylfluorid (CHFCH2), Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlendioxid (CO2), LiF, Li2O, Fluorethylencarbonat-Oligomere (FEC-Oligomere) und Kombinationen davon umfassen. Daher kann die Grenzflächenschicht 38 bei einigen Aspekten Li2CO3, Propylen, Lithiumethylendicarbonat, Li2CO3, Vinylfluorid, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, LiF, Li2O, Fluorethylencarbonat-Oligomere oder eine Kombination davon umfassen.
  • Produkte der elektrochemischen Reduktion von Lithiumhexafluorophosphat (LiPFs6) können Lithiumfluorophosphate von LixPFy und/oder LixPFyOz umfassen. Daher kann die Grenzflächenschicht 38 bei einigen Aspekten im Wesentlichen frei von LixPFy und/oder LixPFyOz sein.
  • Die Grenzflächenschicht 38 kann dazu beitragen, unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 nach der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 zu verhindern. Nachdem die Grenzflächenschicht 38 beispielsweise während der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 gebildet wurde, kann die Grenzflächenschicht 38 dazu beitragen, während der nachfolgenden Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 weitere chemische Reaktionen zwischen dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 zu verhindern. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass oligomere und/oder polymere Verbindungen in der Grenzflächenschicht 38 der Grenzflächenschicht 38 mechanische Flexibilität verleihen können, die es der Grenzflächenschicht 38 ermöglicht, ihre strukturelle Intaktheit und Kontinuität beizubehalten, während sie die Volumenänderungen aufnimmt, die die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 beim Zyklisieren der elektrochemischen Zelle 10 erfährt.
  • Der poröse Separator 16 trennt die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14 physisch voneinander und isoliert sie elektrisch, während er den Durchgang von Lithiumionen ermöglicht. Der poröse Separator 16 kann eine erste Seite 40, die der positiven Elektrodenschicht 12 zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Seite 42, die von der positiven Elektrodenschicht 12 in Richtung des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 abgewandt ist, aufweisen. Der poröse Separator 16 weist eine offene mikroporöse Struktur auf und kann ein organisches und/oder anorganisches Material umfassen, das die positive und die negative Elektrodenschicht 12, 14 physisch voneinander trennen und elektrisch isolieren kann, während es gleichzeitig den freien Fluss von Ionen dazwischen ermöglicht. Der poröse Separator 16 kann beispielsweise ein nichtgewebtes Material umfassen, z. B. ein Blatt, eine Bahn oder eine Matte aus gerichteten oder zufällig ausgerichteten Fasern. Wie bei einem anderen Beispiel in 1 und 2 gezeigt ist, kann der poröse Separator 16 eine mikroporöse Membran oder Folie umfassen. Das nichtgewebte Material und/oder die mikroporöse Membran des porösen Separators 16 können ein polymeres Material umfassen. Der poröse Separator 16 kann beispielsweise ein polyolefinbasiertes Material mit der allgemeinen Formel (CH2CHR)n umfassen, wobei R eine Alkylgruppe ist. Bei einigen Aspekten kann der poröse Separator 16 ein einzelnes Polyolefin oder eine Kombination von Polyolefinen umfassen. Beispiele für Polyolefine umfassen Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC) und/oder Polyacetylen. Beispiele für andere polymere Materialien, die in dem porösen Separator 16 enthalten sein oder zur Bildung desselben verwendet werden können, umfassen Cellulose, Polyimid, Copolymere aus Polyolefinen und Polyimiden, mit Poly(lithium-4-styrolsulfonat) beschichtetes Polyethylen, Polyetherimid (PEI), Bisphenol-Aceton-Diphthalsäureanhydrid (BPADA), para-Phenylendiamin, Poly(m-phenylenisophthalamid) (PMIA) und/oder mit expandiertem Polytetrafluorethylen verstärktes Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen. In einer Form kann der poröse Separator 16 ein Laminat aus zwei, drei oder mehr Schichten mikroporöser polymerer Materialien umfassen, z. B. ein Laminat aus PP-PE oder ein Laminat aus PP-PE-PP. In einer Form kann der poröse Separator 16 eine nanofaserige Sandwich-Struktur aus PVDF-PMIA-PVDF umfassen.
  • Der poröse Separator 16 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Mikrometern und eine Porosität von größer oder gleich ungefähr 25 % bis kleiner oder gleich ungefähr 75 % aufweisen.
  • Der poröse Separator 16 kann eine keramische Beschichtung und/oder eine Beschichtung aus hitzebeständigem Material umfassen. Die keramische Beschichtung und/oder die Beschichtung aus hitzebeständigem Material kann auf der ersten Seite 40 und/oder der zweiten Seite 42 des porösen Separators 16 angeordnet sein. Die keramische Beschichtung kann Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Siliciumdioxid (SiO2) umfassen. Die Beschichtung aus hitzebeständigem Material kann Nomex® und/oder Aramid umfassen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 stellt ein Medium für die Leitung von Lithiumionen durch die elektrochemische Zelle 10 zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 12, 14 bereit. Darüber hinaus kann der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 der elektrochemischen Zelle 10 bestimmte vorteilhafte Eigenschaften verleihen, z. B. Flammhemmung, Selbstverlöschbarkeit und/oder Nichtbrennbarkeit. Der Begriff „selbstverlöschend“ bedeutet, dass in Situationen, in denen der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 direkt einer Flamme ausgesetzt ist, der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 innerhalb von Sekunden oder unmittelbar nach Entfernen der Flamme aus dem Gel-Polymer-Elektrolyt 18 von selbst verlöscht.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 infiltriert die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 12 und des porösen Separators 16. Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 kann größer oder gleich ungefähr 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Vol.-% der offenen Poren in der positiven Elektrodenschicht 12 und/oder im porösen Separator 16 ausfüllen. Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 kann größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 12 und/oder des porösen Separators 16 ausmachen. Bei einigen Aspekten kann der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 größer oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 12 und/oder des porösen Separators 16 ausmachen. Vor der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 steht der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 in direktem physischem Kontakt mit der Hauptfläche 26 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 28 und benetzt diese. Nach der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 und der Bildung der Grenzschicht 38 steht der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 in direktem physischem Kontakt mit einer Stirnfläche der Grenzschicht 38 und benetzt diese. Wie in 1 und 2 gezeigt, können bei einigen Aspekten die elektroaktiven Materialteilchen 36 in der positiven Elektrodenschicht 12 jeweils wenigstens teilweise in dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 eingeschlossen sein, sodass der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 eine Außenfläche jedes der elektroaktiven Materialteilchen 36 in der positiven Elektrodenschicht 12 benetzt.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 umfasst eine Polymermatrix, ein organisches Lösungsmittel, ein erstes Lithiumsalz, das in dem organischen Lösungsmittel gelöst ist, und ein zweites Lithiumsalz, das in dem organischen Lösungsmittel gelöst ist. Die Polymermatrix kann größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 ausmachen. In Kombination können das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 ausmachen.
  • Bei Aspekten kann die Polymermatrix ungefähr 5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 ausmachen und das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz können in Kombination ungefähr 95 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 ausmachen.
  • Das organische Lösungsmittel ist so formuliert, dass das erste und das zweite Lithiumsalz darin gut löslich sind, und kann dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 eine außergewöhnliche Wärmebeständigkeit verleihen (z. B. Flammhemmung, Selbstverlöschbarkeit und/oder Nichtbrennbarkeit). Das organische Lösungsmittel kann ein nichtwässriges aprotisches organisches Lösungsmittel oder ein Gemisch aus nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln umfassen. Beispiele für nichtwässrige aprotische organische Lösungsmittel umfassen Alkylcarbonate, z. B. cyclische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Glycerincarbonat (GC) und/oder 1,2-Butylencarbonat)) und/oder lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) und/oder Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat und/oder Methylpropionat), Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton und/oder δ-Valerolacton), Nitrile (z. B. Succinonitril, Glutaronitril und/oder Adiponitril), Sulfone (z. B. Tetramethylensulfon, Ethylmethylsulfon, Vinylsulfon, Phenylsulfon, 4-Fluorphenylsulfon, Benzylsulfon und/oder Sulfolan), aliphatische Ether (z. B. Triethylenglykoldimethylether, Tetraethylenglycoldimethylether, 1,3-Dimethoxypropan, 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan und/oder Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z. B. 1,4-Dioxan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan), Phosphate (z. B. Triethylphosphat und/oder Trimethylphosphat) und Kombinationen davon.
  • Bei Aspekten kann das organische Lösungsmittel ein Gemisch aus einem ersten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel und einem zweiten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel umfassen. In diesem Fall kann das Volumenverhältnis zwischen dem ersten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel und dem zweiten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,5:9,5 bis kleiner oder gleich ungefähr 9,5:0,5 betragen. Beispielsweise kann das Volumenverhältnis zwischen dem ersten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel und dem zweiten nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmittel ungefähr 9:1 betragen. Bei einigen Aspekten kann das erste organische Lösungsmittel Propylencarbonat umfassen und das zweite organische Lösungsmittel kann Fluorethylencarbonat umfassen. Beispielsweise kann das organische Lösungsmittel ein Gemisch aus Propylencarbonat und Fluorethylencarbonat umfassen, wobei das Verhältnis von Propylencarbonat zu Fluorethylencarbonat in dem organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,5:9,5 bis kleiner oder gleich ungefähr 9,5:0,5 oder ungefähr 9:1 betragen kann.
  • Das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz können so ausgewählt sein, dass sie dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 eine hohe Ionenleitfähigkeit verleihen. Während der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 10 können das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz an vorteilhaften Redoxreaktionen mit Lithium teilnehmen, um dazu beizutragen, die Grenzflächenschicht 38 auf der Stirnfläche 30 der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 zu bilden. Während wiederholter Ladezyklen der elektrochemischen Zelle 10 können das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz die Abscheidung einer relativ glatten, dendritenfreien negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 fördern, die der elektrochemischen Zelle 10 einen hohen coulombschen Wirkungsgrad und eine ausgezeichnete Zyklisierungsstabilität verleihen kann. Bei einigen Aspekten kann das erste Lithiumsalz Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB) umfassen und das zweite Lithiumsalz kann Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI) umfassen.
  • Das erste Lithiumsalz kann in dem organischen Lösungsmittel in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter (mol/l, molar oder M) bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter vorliegen. Beispielsweise kann das erste Lithiumsalz in dem organischen Lösungsmittel in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter vorliegen. Bei einigen Aspekten kann die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem organischen Lösungsmittel ungefähr 1,0 Mol pro Liter betragen. Das zweite Lithiumsalz kann in dem organischen Lösungsmittel in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter vorliegen. Beispielsweise kann das zweite Lithiumsalz in dem organischen Lösungsmittel in einer Konzentration von größer oder gleich ungefähr 0,4 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,0 Mol pro Liter vorliegen. Bei einigen Aspekten kann die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem organischen Lösungsmittel ungefähr 0,7 Mol pro Liter betragen. Die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem organischen Lösungsmittel kann höher sein als die des zweiten Lithiumsalzes. Die Gesamtkonzentration des ersten Lithiumsalzes und des zweiten Lithiumsalzes in dem organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 Mol pro Liter betragen. Beispielsweise kann die Gesamtkonzentration des ersten Lithiumsalzes und des zweiten Lithiumsalzes in dem organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 1,0 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,5 Mol pro Liter betragen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 kann optional neben dem ersten Lithiumsalz und dem zweiten Lithiumsalz ein oder mehrere zusätzliche Lithiumsalze umfassen, die in dem organischen Lösungsmittel gelöst sind. Beispiele für zusätzliche Lithiumsalze umfassen Lithiumbis(oxalato)borat, LiB(C2O4)2 (LiBOB), Lithiumtetracyanoborat, Li(B(CN4) (LiTCB), Lithiumtetrafluoroborat, LiBF4, Lithiumbis(monofluoroma-lonato)borat (LiBFMB), Lithiumtrifluormethansulfonat, (LiCF3SO3), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid, LiN(FSO2)2 (LiSFI), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid, LiN(CF3SO2)2, Lithiumbis(perfluorethansulfonyl)imid, LiN(C2F5SO2)2, Lithium-cyclo-hexafluorpropan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiHPSI) und Kombinationen davon. Bei einigen Aspekten kann wenigstens ein Teil des ersten Lithiumsalzes durch eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Lithiumsalze ersetzt werden: Lithiumbis(oxalato)borat, LiB(C2O4)2 (LiBOB), Lithiumtetracyanoborat, Li(B(CN4) (LiTCB), Lithiumtetrafluorborat, LiBF4 und/oder Lithiumbis(monofluoromalonato)borat (LiBFMB). Bei einigen Aspekten kann wenigstens ein Teil des zweiten Lithiumsalzes durch eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Lithiumsalze ersetzt werden: Lithiumtrifluormethansulfonat, LiCF3SO3), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid, LiN(FSO2)2 (LiSFI), Lithium-cyclo-difluormethan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiDMSI), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid, LiN(CF3SO2)2, Lithiumbis(perfluorethansulfonyl)imid, LiN(C2F5SO2)2 und/oder Lithium-cyclo-hexafluorpropan-1,1-bis(sulfonyl)imid (LiHPSI).
  • Die Gesamtkonzentration des ersten Lithiumsalzes, des zweiten Lithiumsalzes und des einen oder der mehreren optionalen zusätzlichen Lithiumsalze in dem organischen Lösungsmittel kann größer oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 Mol pro Liter betragen. Bei Aspekten, bei denen der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 neben dem ersten Lithiumsalz und dem zweiten Lithiumsalz ein oder mehrere zusätzliche Lithiumsalze umfasst, können das erste und das zweite Lithiumsalz zusammengenommen mehr als 50 Mol- % der Lithiumsalzkonzentration in dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 ausmachen.
  • Bei Aspekten kann der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 im Wesentlichen frei von Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) und im Wesentlichen frei von Phosphonatanteilen sein. Im Gegensatz zu elektrochemischen Zellen, die LiPF6 als primäres Lithiumsalz in ihren Elektrolyten umfassen, vermeidet die Kombination von LiDFOB und LiTFSI als primäre Lithiumsalze in dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 die Bildung von Lithiumdendriten auf der Oberfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 und führt nicht zur Bildung von Fluorwasserstoff (HF) innerhalb des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 während der Zyklisierung der elektrochemischen Zelle 10.
  • Die Polymermatrix dient als Wirt für das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz. Die Polymermatrix kann dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 strukturelle Intaktheit verleihen und dazu beitragen, einen guten physischen Kontakt zwischen dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 und der positiven Elektrodenschicht 12, dem porösen Separator 16 und dem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor 28 oder der Grenzflächenschicht 38 sicherzustellen. Die Polymermatrix umfasst ein Copolymer aus Poly(vinylidenfluorid) und Hexafluorpropylen, das auch als Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen) (PVDF-HFP) bezeichnet wird. Die Polymermatrix kann optional ein oder mehrere zusätzliche Polymere aus Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylsäure (PAA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Carboxymethylcellulose (CMC), Polyacrylnitril (PAN), Polyvinylidendifluorid (PVDF), Polyvinylalkohol (PVA) und/oder Polyvinylpyrrolidon (PVP) umfassen.
  • Der der positiven Elektrode zugeordnete und der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 22, 28 sind elektrisch leitend und stellen eine elektrische Verbindung zwischen dem externen Stromkreis 34 und der jeweiligen positiven und negativen Elektrodenschicht 12, 14 bereit. Bei einigen Aspekten können der der positiven Elektrode zugeordnete und der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 22, 28 in Form von nicht porösen Metallfolien, perforierten Metallfolien oder einer Kombination davon vorliegen. Der der negativen Elektrode zugeordnete Stromkollektor 28 kann aus Kupfer, Nickel oder deren Legierungen, Edelstahl oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Der der positiven Elektrode zugeordnete Stromkollektor 22 kann aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt sein.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 kann in die elektrochemische Zelle 10 und in die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 12 und des porösen Separators 16 in Form eines Vorläufers eingebracht sein. Der Vorläufer kann alle Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 (z. B. die Polymermatrix, das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz, das zweite Lithiumsalz und optional ein oder mehrere zusätzliche Lithiumsalze) sowie einen flüchtigen Träger umfassen. Der flüchtige Träger kann ein Lösungsmittel sein, das aus dem Vorläufer entfernt werden und in dem Vorläufer enthalten sein kann, um die Viskosität der Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 zu verringern, wodurch der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 leichter und effektiver in die elektrochemische Zelle 10 und in die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 12 und des porösen Separators 16 während des Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle 10 eingeführt werden kann. Nachdem der Vorläufer in die elektrochemische Zelle 10 und in die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 12 und des porösen Separators 16 eingebracht wurde, wird der flüchtige Träger während der Herstellung aus dem Vorläufer entfernt, sodass der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 zurückbleibt. Somit kann der flüchtige Träger ein Lösungsmittel mit einem relativ niedrigen Siedepunkt sein. Der flüchtige Träger kann beispielsweise ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von kleiner oder gleich ungefähr 150 °C und bei einigen Aspekten optional von kleiner oder gleich ungefähr 100 °C umfassen. Bei einigen Aspekten kann der flüchtige Träger im Wesentlichen aus einem Lösungsmittel mit einem relativ niedrigen Siedepunkt bestehen. Beispiele für Lösungsmittel für den flüchtigen Träger umfassen Dimethylcarbonat (DMC), Ethylencarbonat, Ethylacetat, Acetonitril, Aceton, Toluol, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, 1,2,2-Tetrafluorethyl, 2,2,3,3-Tetrafluoropropylether, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und Kombinationen davon.
  • Nach Entfernung des flüchtigen Trägers kann die elektrochemische Zelle 10 frei von Flüssigelektrolyten sein und nur noch feste und/oder halbfeste Elektrolyte oder Gelelektrolyte enthalten. Während das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 in Form einer Flüssigkeit, z. B. einer flüssigen Elektrolytlösung, vorliegen können, wird diese flüssige Elektrolytlösung, wenn sie in die Polymermatrix eingebracht wird, in die Polymermatrix aufgenommen und tritt mit ihr in Wechselwirkung, beispielsweise durch Bindung an die Polymermatrix über Van-der-Waals-Kräfte und dergleichen. Nachdem die Polymermatrix mit der flüssigen Elektrolytlösung (die das organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz umfasst) infiltriert wurde, wird die flüssige Elektrolytlösung an die Polymermatrix gebunden und fließt nicht mehr, sodass sie durch die Bindung an die umgebende Polymermatrix als Teil des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 dient. Demzufolge weist der Gel-Polymer-Elektrolyt 18, der in der elektrochemischen Zelle 10 und in den offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 12 und des porösen Separators 16 nach der Entfernung des flüchtigen Trägers verbleibt, eine nicht fließende Eigenschaft auf, im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigelektrolyten, die in den Poren herkömmlicher Separatoren und Elektroden fließen. Das Ersetzen eines herkömmlichen Flüssigelektrolyten durch den vorliegend offenbarten nicht entflammbaren, nicht fließenden Gel-Polymer-Elektrolyten 18 erhöht die Wärmebeständigkeit der elektrochemischen Zelle 10, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt ist, erheblich.
  • Die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellten elektrochemischen Zellen 10 können im Wesentlichen frei von fließenden Flüssigelektrolyten sein und nur Festkörper- und/oder halbfeste oder Gel-Polymer-Elektrolyte, wie den Gel-Polymer-Elektrolyten 18, enthalten. Auf diese Weise bietet die vorliegende Offenbarung mehrere nicht einschränkende Vorteile, die das Verringern oder Beseitigen des Risikos des Auslaufens von Elektrolyt durch die Verwendung des Gel-Polymer-Elektrolyten 18 anstelle eines herkömmlichen fließfähigen Flüssigelektrolyten, eine erhöhte Wärmebeständigkeit im Vergleich zu einem fließfähigen Flüssigelektrolyten und/oder eine verbesserte elektrochemische Leistung im Vergleich zu Festelektrolytteilchen allein (z. B. aufgrund eines geringeren Kontaktwiderstands) umfassen.
  • Bei Aspekten kann die elektrochemische Zelle 10 neben dem Gel-Polymer-Elektrolyten 18 in manchen Fällen einen weiteren Elektrolyten umfassen, der in fester, flüssiger oder gelierter Polymerform vorliegt und in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der positiven Elektrodenschicht 12 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 14 zu leiten. Bei bestimmten Aspekten ist die elektrochemische Zelle 10 im Wesentlichen frei von fließendem Flüssigelektrolyt, um die oben erörterten Leistungsvorteile zu erzielen.
  • 3 zeigt eine elektrochemische Zelle 110, die mit einer oder mehreren zusätzlichen elektrochemischen Zellen kombiniert werden kann, um eine Batterie zu bilden, die Lithiumionen zyklisiert, z. B. eine Lithiummetall-Sekundärbatterie. Die elektrochemische Zelle 110 ähnelt in vielerlei Hinsicht der elektrochemischen Zelle 10, die in 1 und 2 dargestellt ist, und eine Beschreibung von Gemeinsamkeiten wird hier im Allgemeinen nicht wiederholt. Wie in 3 gezeigt, umfasst die elektrochemische Zelle 110 eine positive Elektrodenschicht 112, eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 114, einen porösen Separator in Form einer Festelektrolytschicht 144, die zwischen der positiven und der negativen Elektrodenschicht 112, 114 angeordnet ist, und einen Gel-Polymer-Elektrolyten 118, der die positive Elektrodenschicht 112 und die Festelektrolytschicht 144 infiltriert. Die positive Elektrodenschicht 112 ist auf einer Hauptfläche 120 eines der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors 122 angeordnet. Die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 114 ist auf einer Hauptfläche 126 eines der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 128 angeordnet und weist eine der positiven Elektrodenschicht 112 zugewandte Fläche 130 auf.
  • Wie die elektrochemische Zelle 10 kann auch die elektrochemische Zelle 110 ohne negative Lithium-Metall-Elektrodenschicht 114 zusammengebaut sein. In diesem Fall werden bei der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 110 Lithiumionen aus der positiven Elektrodenschicht 112 freigesetzt und scheiden sich elektrochemisch auf der Hauptfläche 126 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 128 ab, wobei das elektrochemisch abgeschiedene Lithium in situ die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht 114 bildet. Darüber hinaus kann sich während der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 110 grundsätzlich eine Grenzflächenschicht 138 entlang der Hauptfläche 126 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 128 über der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 114 bilden.
  • Wie die positive Elektrodenschicht 12 kann die positive Elektrodenschicht 112 in Form einer im Wesentlichen durchgehenden porösen Schicht vorliegen, die eine Vielzahl elektrochemisch aktiver (elektroaktiver) Materialteilchen 136 und optional ein polymeres Bindemittel und/oder elektrisch leitende Materialteilchen (nicht gezeigt) umfasst. Die elektroaktiven Materialteilchen 136 der positiven Elektrodenschicht 112 können aus demselben elektrochemisch aktiven Material bzw. denselben elektrochemisch aktiven Materialien hergestellt sein wie die der positiven Elektrodenschicht 12 und in der positiven Elektrodenschicht 112 in im Wesentlichen denselben Mengen enthalten sein.
  • Die Festelektrolytschicht 144 isoliert die positive und die negative Elektrodenschicht 112, 114 elektrisch voneinander und stellt ein Medium für die Leitung von Lithiumionen zwischen der positiven Elektrodenschicht 112 und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 114 bereit. Mit anderen Worten fungiert die Festelektrolytschicht 144 sowohl als ionenleitender Elektrolyt als auch als elektrisch isolierender Separator und kann somit einen eigenständigen Separator wie den Separator 16 überflüssig machen.
  • Die Festelektrolytschicht 144 kann in Form einer im Wesentlichen durchgehenden porösen Schicht vorliegen, die eine Vielzahl von Festelektrolytmaterialteilchen 146 umfasst. Die Festelektrolytmaterialteilchen 146 können ein elektrisch isolierendes und ionenleitendes anorganisches Festelektrolytmaterial umfassen, z. B. ein metalloxidbasiertes Material, ein sulfidbasiertes Material, ein nitridbasiertes Material, ein hydridbasiertes Material, ein halogenidbasiertes Material und/oder ein boratbasiertes Material. Beispiele für metalloxidbasierte Festelektrolytmaterialien umfassen Festelektrolytmaterialien vom NASICON-Typ (z. B. Li1.4Al0.4Ti1,6(PO4)3), Festelektrolytmaterialien vom LISICON-Typ (z.B. Li2+2xZn1-xGeO4), Festelektrolytmaterialien vom Perowskit-Typ (z. B. Li3xLa2/3-xTiO3), Festelektrolytmaterialien vom Granat-Typ (z. B. Li7La3Zr2O12) und/oder metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte, metalloxidbasierte Festelektrolytmaterialien (z. B. Al- oder Nb-dotiertes Li7La3Zr2O12, Sb-dotiertes Li7La3Zr2O12, Ga-substituiertes Li7La3Zr2O12, Cr- und V-substituiertes LiSn2P3O12 und/oder Al-substituierten Perowskit, Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12). Beispiele für sulfidbasierte Festelektrolytmaterialien umfassen Argyroditmaterialien der Formel Li6PS5X, wobei X = Cl, Br, I ist, Lithiumphosphorsulfidmaterialien einer oder mehrerer der Formeln Li3PS4, Li9,6P3S12 und/oder L17P3S11, LGPS-Materialien der Formel Li11-xM2-xP1+xS12, wobei M = Ge, Sn, Si ist (z. B. Li10GeP2S12, Li9P3S9O3,Li10,35Ge1,35P1,65S12, Li10,35Si1,35P1,65S12, Li9,81Sn0,81P2,19S12, Li10(Si0,5Ge0,5)P2S12, Li10(Ge0,5Sn0,5)P2Si2 und/oder Li10(Si0,5Sn0,5)P2S12), Materialien vom Typ Li2S-P2S5, Materialien vom Typ Li2S-P2S5-MOX, Materialien vom Typ 3Li2S-P2S5-MSx, Materialien vom Typ Thio-LISICON (z. B. Li3,25Ge0,25P0,75S4), Li3,4Si0,4P0,6S4, Li10G2P2S11,7O0,3, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3, Li3,833Sn0,833As0,166S4, Lil-Li4SnS4 und/oder Li4SnS4. Beispiele für nitridbasierte Festelektrolytmaterialien umfassen Li3N, Li7PN4 und/oder LiSi2N3. Beispiele für hydridbasierte Festelektrolytmaterialien umfassen LiBH4, LiBH4-LiX, wobei X = Cl, Br oder I ist, LiNH2, Li2NH, LiBH4-LiNH2 und/oder Li3AlH6. Beispiele für halogenidbasierte Festelektrolytmaterialien umfassen Lil, Li3lnCl6, Li2CdCl4, Li2MgCl4, Li2Cdl4, Li2Znl4 und/oder Li3OCl. Beispiele für boratbasierte Fefstelektrolytmaterialien umfassen Li2B4O7 und/oder Li2O-B2O3-P2O5.
  • Die Festelektrolytmaterialteilchen 146 können einen D50-Durchmesser von größer oder gleich ungefähr 0,01 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Mikrometern aufweisen. Die Festelektrolytmaterialteilchen 146 können größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% der Festelektrolytschicht 144 ausmachen. Die Festelektrolytschicht 144 kann eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Mikrometern und eine Porosität im Bereich von ungefähr 5 % bis ungefähr 50 % aufweisen.
  • Bei Aspekten kann die positive Elektrodenschicht 112 ein oder mehrere Festelektrolytmaterialteilchen 146 umfassen. In diesem Fall können die Festelektrolytmaterialteilchen 146 größer 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 50 Gew.-% der positiven Elektrodenschicht 112 ausmachen.
  • Der Gel-Polymer-Elektrolyt 118 infiltriert die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 112 und die offenen Poren der Festelektrolytschicht 144. Beispielsweise kann der Gel-Polymer-Elektrolyt 18 größer ungefähr 5 Vol.-% bis ungefähr 100 Vol.-% der offenen Poren der positiven Elektrodenschicht 112 und/oder der Festelektrolytschicht 144 ausfüllen. Vor der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 110 steht der Gel-Polymer-Elektrolyt 118 in direktem physischem Kontakt mit der Hauptfläche 126 des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors 128 und benetzt diese. Nach der ersten Aufladung der elektrochemischen Zelle 110 und der Bildung der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht 114 und der Grenzschicht 138 steht der Gel-Polymer-Elektrolyt 118 in direktem physischem Kontakt mit einer Stirnfläche der Grenzschicht 138 und benetzt diese. Wie in 3 gezeigt, können bei einigen Aspekten die elektroaktiven Materialteilchen 136 in der positiven Elektrodenschicht 112 und/oder die Festelektrolytmaterialteilchen 146 in der Festelektrolytschicht 144 jeweils wenigstens teilweise in dem Gel-Polymer-Elektrolyten 118 eingeschlossen sein, sodass der Gel-Polymer-Elektrolyt 118 eine Außenfläche jedes elektroaktiven Materialteilchens 136 und/oder jedes Festelektrolytmaterialteilchen 146 benetzt.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims (10)

  1. Gel-Polymer-Elektrolyt für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt umfasst: eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel, wobei die Polymermatrix Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen) umfasst, das erste Lithiumsalz Lithiumdifluor(oxalato)borat umfasst und das zweite Lithiumsalz Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid umfasst, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt selbstverlöschend ist und wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt im Wesentlichen frei von Lithiumhexafluorophosphat ist.
  2. Gel-Polymer-Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei das nichtwässrige organische Lösungsmittel ein Gemisch aus einem ersten Lösungsmittel und einem zweiten Lösungsmittel umfasst, das erste Lösungsmittel Propylencarbonat umfasst, das zweite Lösungsmittel Fluorethylencarbonat umfasst und wobei das Volumenverhältnis des ersten Lösungsmittels zu dem zweiten Lösungsmittel in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,5:9,5 bis kleiner oder gleich ungefähr 9,5:0,5 ist.
  3. Gel-Polymer-Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter beträgt, wobei die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,05 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 2,0 Mol pro Liter beträgt, wobei die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer als die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel ist und wobei die Gesamtkonzentration des ersten Lithiumsalzes und des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 4,0 Mol pro Liter beträgt.
  4. Gel-Polymer-Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt im Wesentlichen aus der Polymermatrix, dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel, dem ersten Lithiumsalz und dem zweiten Lithiumsalz besteht und wobei das erste Lithiumsalz im Wesentlichen aus Lithiumdifluor(oxalato)borat besteht und das zweite Lithiumsalz im Wesentlichen aus Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid besteht, wobei in Kombination das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen und wobei die Polymermatrix größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmacht.
  5. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: einen der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor, eine positive Elektrodenschicht, die auf dem der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, wobei die positive Elektrodenschicht eine Stirnfläche aufweist und elektroaktive Materialteilchen umfasst, einen der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor mit einer Hauptfläche, wobei die Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors der Stirnfläche der positiven Elektrodenschicht gegenüberliegt, einen porösen Separator, der zwischen der positiven Elektrodenschicht und dem der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor angeordnet ist, und einen Gel-Polymer-Elektrolyten, der die offenen Poren der positiven Elektrodenschicht und des porösen Separators infiltriert, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel umfasst, wobei die Polymermatrix Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen) umfasst, das erste Lithiumsalz Lithiumdifluor(oxalato)borat umfasst und das zweite Lithiumsalz Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid umfasst, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt selbstverlöschend ist und wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt im Wesentlichen frei von Lithiumhexafluorophosphat ist.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei das nichtwässrige organische Lösungsmittel ein Gemisch aus Propylencarbonat und Fluorethylencarbonat umfasst, die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,5 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,5 Mol pro Liter beträgt, die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer oder gleich ungefähr 0,4 Mol pro Liter bis kleiner oder gleich ungefähr 1,0 Mol pro Liter beträgt und die Konzentration des ersten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel größer als die Konzentration des zweiten Lithiumsalzes in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel ist.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei das nichtwässrige organische Lösungsmittel, das erste Lithiumsalz und das zweite Lithiumsalz in Kombination größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 99,5 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmachen und wobei die Polymermatrix größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Gew.-% des Gel-Polymer-Elektrolyten ausmacht.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht, die elektrochemisch auf der Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors abgeschieden ist, wobei die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht eine Stirnfläche aufweist, die der Stirnfläche der positiven Elektrodenschicht gegenüberliegt, und eine Grenzflächenschicht, die in situ auf der Stirnfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht gebildet ist, wobei sich die Grenzflächenschicht im Wesentlichen durchgehend entlang einer Grenzfläche zwischen dem porösen Separator und der Stirnfläche der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht erstreckt, wobei die Grenzflächenschicht elektrochemische Reduktionsprodukte einer oder mehrerer Bestandteile des Gel-Polymer-Elektrolyten umfasst und wobei die elektrochemischen Reduktionsprodukte ein fluorhaltiges Oligomer, ein borhaltiges Oligomer, Lithiumbis[N-(trifluoromethylsulfonylimino)]-trifluoromethansulfonat, Lithiumfluorid, Lithiumoxid, Lithiumsulfid, Lithiumdithionit, Lithiumsulfit, Lithiumnitrid oder eine Kombination davon umfassen.
  9. Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: einen der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektor mit einer Hauptfläche, eine positive Elektrodenschicht, die auf der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors angeordnet ist, wobei die positive Elektrodenschicht elektroaktive Materialteilchen umfasst, wobei die elektroaktiven Materialteilchen ein Lithiumübergangsmetalloxid der Formel LiMeO2, LiMePO4, Li3Me2(PO4)3, LiMe2O4, LiMeSO4F LiMePO4F oder eine Kombination davon umfassen, wobei Me Co, Ni, Mn, Fe, Al, V oder eine Kombination davon ist, einen der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektor mit einer Hauptfläche, wobei die Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors gegenüberliegt, eine negative Lithiummetall-Elektrodenschicht, die elektrochemisch auf der Hauptfläche des der negativen Elektrode zugeordneten Stromkollektors abgeschieden ist, wobei die negative Lithiummetall-Elektrodenschicht größer oder gleich ungefähr 97 Gew.-% Lithium umfasst, einen porösen Separator, der zwischen der positiven Elektrodenschicht und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht angeordnet ist, und einen Gel-Polymer-Elektrolyten, der offene Poren in der positiven Elektrodenschicht und im porösen Separator infiltriert und sich im Wesentlichen durchgehend zwischen der Hauptfläche des der positiven Elektrode zugeordneten Stromkollektors und der negativen Lithiummetall-Elektrodenschicht erstreckt, wobei der Gel-Polymer-Elektrolyt eine Polymermatrix, die mit einem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel infiltriert ist, ein erstes Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel und ein zweites Lithiumsalz in dem nichtwässrigen organischen Lösungsmittel umfasst, wobei die Polymermatrix Poly(vinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen) umfasst, das nichtwässrige organische Lösungsmittel ein Gemisch aus Propylencarbonat und Fluorethylencarbonat umfasst, das erste Lithiumsalz Lithiumdifluor(oxalato)borat umfasst und das zweite Lithiumsalz Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid umfasst und wobei die elektroaktiven Materialteilchen in der positiven Elektrodenschicht jeweils wenigstens teilweise von dem Gel-Polymer-Elektrolyten umhüllt sind.
  10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei der poröse Separator umfasst: (i) eine mikroporöse polymere Membran oder (ii) eine Festelektrolytschicht, die anorganische Festelektrolytmaterialteilchen umfasst, wobei die anorganischen Festelektrolytmaterialteilchen elektrisch isolierend und ionenleitend sind und wobei die anorganischen Festelektrolytmaterialteilchen jeweils wenigstens teilweise in dem Gel-Polymer-Elektrolyten eingeschlossen sind.
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