DE102022118341A1

DE102022118341A1 - Lithiumionen-batterie, die anodenfreie zellen enthält

Info

Publication number: DE102022118341A1
Application number: DE102022118341.6A
Authority: DE
Inventors: Yong Lu; Zhe Li; Meiyuan Wu; Haijing Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2023-12-14
Also published as: CN117239213A; US20230402585A1

Abstract

Eine hybridisierte Lithiumionen-Batterie, die eine oder mehrere positive Elektrodenanordnungen enthält, wird bereitgestellt. Jede der ein oder mehreren positiven Elektrodenanordnungen umfasst einen Stromkollektor der positiven Elektrode und eine oder mehrere positive elektroaktive Materialschichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen des Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet sind. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie umfasst auch zwei oder mehr Stromkollektoren der negativen Elektrode und eine oder mehrere negative elektroaktive Materialschichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen von mindestens einem der zwei oder mehreren Stromkollektoren der negativen Elektrode angeordnet sind, wobei die Gesamtzahl der einen oder mehreren positiven elektroaktiven Materialschichten größer ist als die Gesamtzahl der negativen elektroaktiven Materialschichten. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie enthält auch zwei oder mehr Trennschichten, die die positiven Elektrodenanordnungen und die negativen elektroaktiven Materialschichten oder die positiven Elektrodenanordnungen und die Stromkollektoren der negativen Elektrode physisch voneinander trennen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“).
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 hybridisierte Batterien, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine hybridisierte Lithiumionen-Batterie bereit. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann eine oder mehrere positive Elektrodenanordnungen enthalten, wobei jede der einen oder mehreren positiven Elektrodenanordnungen einen Stromkollektor der positiven Elektrode und eine oder mehrere positive elektroaktive Materialschichten enthält, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen des Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet sind. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann auch zwei oder mehr Stromkollektoren der negativen Elektrode und eine oder mehrere negative elektroaktive Materialschichten enthalten, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen von mindestens einem der zwei oder mehreren Stromkollektoren der negativen Elektrode angeordnet sind, wobei die Gesamtzahl der einen oder mehreren positiven elektroaktiven Materialschichten größer ist als die Gesamtzahl der negativen elektroaktiven Materialschichten. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann auch zwei oder mehr Trennschichten aufweisen, die die positiven Elektrodenanordnungen und die negativen elektroaktiven Materialschichten oder die positiven Elektrodenanordnungen und die Stromkollektoren der negativen Elektrode physisch trennen.
In einem Aspekt kann eine erste positive Elektrodenanordnung der einen oder mehreren positiven Elektrodenanordnungen zusammen mit einem ersten Stromkollektor der negativen Elektrode der zwei oder mehreren Stromkollektoren der negativen Elektrode, einer ersten negativen elektroaktiven Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten, die auf oder nahe einer ersten Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode, die der positiven Elektrodenanordnung zugewandt ist, angeordnet ist, und einer ersten Trennschicht der zwei oder mehreren Trennschichten, die zwischen der positiven Elektrodenanordnung und der ersten negativen elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, eine erste Zelle bilden.
In einem Aspekt kann die erste positive Elektrodenanordnung eine erste positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer ersten Seite eines zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, umfassen, wobei die erste positive elektroaktive Materialschicht an die erste Trennschicht angrenzt. Die zweite positive elektroaktive Materialschicht kann zusammen mit einem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode der zwei oder mehr Stromkollektoren der negativen Elektrode und einer zweiten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht und dem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode angeordnet sind, eine zweite Zelle bilden. Der zweite Stromkollektor der negativen Elektrode kann die zweite Trennschicht berühren.
In einem Aspekt kann eine zweite negative elektroaktive Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten auf einer von der zweiten Trennschicht abgewandten Oberfläche des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet sein. Die zweite negative elektroaktive Materialschicht kann zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer dritten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen der zweiten negative elektroaktive Materialschicht und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordnet sind, eine dritte Zelle bilden.
In einem Aspekt kann eine zweite negative elektroaktive Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten auf einer Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet sein. Die zweite negative elektroaktive Materialschicht kann zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer dritten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen der zweiten negative elektroaktive Materialschicht und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordnet sind, eine dritte Zelle bilden.
In einem Aspekt kann der erste Stromkollektor der negativen Elektrode zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer zweiten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen dem ersten Stromkollektor der negativen Elektrode und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordnet sind, eine zweite Zelle bilden. Die zweite Trennschicht kann den ersten Stromkollektor der negativen Elektrode berühren.
In einem Aspekt kann die zweite positive Elektrodenanordnung eine erste positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer ersten Seite eines zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, umfassen, wobei die erste positive elektroaktive Materialschicht an die zweite Trennschicht angrenzt. Die zweite positive elektroaktive Materialschicht kann zusammen mit einem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode und einer dritten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht und dem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode angeordnet sind, eine dritte Zelle bilden.
In einem Aspekt kann eine zweite negative elektroaktive Materialschicht auf einer Oberfläche des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet werden, die vom dritten Separator abgewandt ist. Die zweite negative elektroaktive Materialschicht kann zusammen mit einer dritten positiven Elektrodenanordnung und einer vierten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten, die zwischen der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht und der dritten positiven Elektrodenanordnung angeordnet sind, eine vierte Zelle bilden.
In einem Aspekt kann die Batterie ein Verhältnis (N/P) von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium von mehr als 1,0 aufweisen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine hybridisierte Lithiumionen-Batterie bereit. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann eine erste Zelle und eine zweite Zelle enthalten. Die erste Zelle kann einen ersten Stromkollektor der negativen Elektrode und eine erste positive elektroaktive Materialschicht enthalten, die durch eine erste Trennschicht physisch getrennt sind. Der erste Stromkollektor der negativen Elektrode kann die erste Trennschicht berühren. Die zweite Zelle kann einen zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode, eine negative elektroaktive Materialschicht, die auf einer ersten Seite des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht umfassen. Die negative elektroaktive Materialschicht und die positive elektroaktive Materialschicht können durch eine zweite Trennschicht physisch getrennt sein. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann auch einen Stromkollektor der positiven Elektrode enthalten, der zwischen der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht und der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist.
In einem Aspekt kann die negative elektroaktive Materialschicht eine erste negative elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor der positiven Elektrode ein erster Stromkollektor der positiven Elektrode sein. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann ferner eine zweite negative elektroaktive Materialschicht neben einer Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode, die von der ersten Trennschicht abgewandt ist, eine positive Elektrodenanordnung, die eine dritte positive elektroaktive Materialschicht und einen zweiten Stromkollektor der positiven Elektrode umfasst, und eine dritte Trennschicht, die die zweite elektroaktive Materialschicht und die positive Elektrodenanordnung physisch trennt, umfassen.
In einem Aspekt kann die negative elektroaktive Materialschicht eine erste negative elektroaktive Materialschicht und der Stromkollektor der positiven Elektrode ein erster Stromkollektor der positiven Elektrode sein. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann ferner eine zweite negative elektroaktive Materialschicht neben einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode, eine positive Elektrodenanordnung, die eine dritte positive elektroaktive Materialschicht und einen zweiten Stromkollektor der positiven Elektrode umfasst, und eine dritte Trennschicht, die die zweite elektroaktive Materialschicht und die positive Elektrodenanordnung physisch trennt, umfassen.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor der positiven Elektrode ein erster Stromkollektor der positiven Elektrode sein. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann ferner eine dritte Trennschicht neben einer von der ersten Trennschicht abgewandten Seite des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode und eine positive Elektrodenanordnung neben der dritten Trennschicht umfassen. Die positive Elektrodenanordnung kann eine dritte positive elektroaktive Materialschicht und einen zweiten Stromkollektor der positiven Elektrode umfassen.
In einem Aspekt kann die Batterie ein Verhältnis (N/P) von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium von mehr als 1,0 aufweisen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine hybridisierte Lithiumionen-Batterie bereit. Die hybridisierte Lithiumionen-Batterie kann einen ersten Stromkollektor der positiven Elektrode, eine erste positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche des ersten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, eine erste Trennschicht, die auf einer Oberfläche der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, eine negative elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche der ersten Trennschicht angeordnet ist, einen Stromkollektor der negativen Elektrode, der auf einer Oberfläche der negativen elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, eine zweite Trennschicht, die auf einer Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, eine zweite positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche der zweiten Trennschicht angeordnet ist, und einen zweiten Stromkollektor der positiven Elektrode, der auf einer Oberfläche der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, umfassen.
In einem Aspekt kann die negative elektroaktive Materialschicht eine erste negative elektroaktive Materialschicht sein, und der Stromkollektor der negativen Elektrode kann ein erster Stromkollektor der negativen Elektrode sein. Die Batterie kann ferner eine dritte positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, eine dritte Trennschicht, die auf einer Oberfläche der dritten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, eine zweite negative elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche der dritten Trennschicht angeordnet ist, und einen zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode, der auf einer Oberfläche der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, umfassen.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor der negativen Elektrode ein erster Stromkollektor der negativen Elektrode sein. Die Batterie kann ferner eine dritte positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer Oberfläche des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, eine dritte Trennschicht, die auf einer Oberfläche der dritten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, und einen zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode, der auf einer Oberfläche der dritten Trennschicht angeordnet ist, umfassen.
In einem Aspekt kann die negative elektroaktive Materialschicht eine erste negative elektroaktive Materialschicht sein. Die Batterie kann ferner eine zweite negative elektroaktive Materialschicht, die auf einer von der dritten Trennschicht abgewandten Oberfläche des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, eine vierte Trennschicht, die auf oder nahe einer Oberfläche der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, eine vierte positive elektroaktive Materialschicht, die auf oder nahe einer Oberfläche der vierten Trennschicht angeordnet ist, und einen dritten Stromkollektor der positiven Elektrode, der auf oder nahe einer Oberfläche der vierten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, umfassen.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor der negativen Elektrode ein erster Stromkollektor der negativen Elektrode sein. Die Batterie kann ferner eine dritte positive elektroaktive Materialschicht, die auf einer von der ersten positiven elektroaktiven Materialschicht abgewandten Oberfläche des ersten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet ist, eine dritte Trennschicht, die auf der dritten positiven elektroaktiven Materialschicht angeordnet ist, und einen zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode, der auf der dritten Trennschicht angeordnet ist, umfassen.
In einem Aspekt kann die Batterie ein Verhältnis (N/P) von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium von mehr als 1,0 aufweisen.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine Darstellung einer herkömmlichen elektrochemischen Lithiumionen-Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Darstellung einer anodenfreien elektrochemischen Lithiumionen-Zelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt ein Beispiel für eine hybridisierte Batterie, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthält;
4A ist eine graphische Darstellung, die einen Formationszyklus einer beispielhaften hybridisierten Batterie zeigt, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst; und
4B ist eine graphische Darstellung, die einen ersten Zyklus nach einem Formationszyklus einer beispielhaften hybridisierten Batterie zeigt, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst.

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“ bzw. „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ bzw. „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bzw. „etwa“ bedeutet sowohl, dass der angegebene Zahlenwert exakt oder genau ist, als auch, 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 Offenbarung bezieht sich auf hybridisierte Batterien, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen enthalten, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Solche Batterien können in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer herkömmlichen elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20 ist in 1 gezeigt. Die elektrochemische Lithiumionen-Zelle 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z.B. einem Gelelektrolyten) gebildet sind. Beispielsweise kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) gebildet sein, und in bestimmten Fällen kann der halbfeste Elektrolyt zumindest teilweise Hohlräume oder Öffnungen zwischen den Festkörperelektrolytteilchen füllen. Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen bilden, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl der Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein erster Stromkollektor 32 (z.B. ein Stromkollektor der negativen Elektrode) 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 (z.B. ein positiver Stromkollektor) kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der zweiten Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist.
Der erste Stromkollektor 32 und der zweite Stromkollektor 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu und von einem externen Stromkreis 40 bewegen. 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. Die elektrochemische Lithiumionen-Zelle 20 kann z.B. während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden) und die negative Elektrode 22 ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode hat. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20 abgenommen hat.
Die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 können jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 z.B. eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 0,8 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Lösungen mit Elektrolyt verwendet werden.
Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₆)₄), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumbis(perfluorethysulfonyl)imid (LiBETI), Lithiumtrifluorethoxysulfonyl (LiTfO) und Kombinationen davon.
In verschiedenen Gesichtspunkten kann das Lithiumsalz aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(perfluorethysulfonyl)imid (LiBETI), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumhexafluoroarsenat Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtrifluorethoxysulfonyl (LiTfO) und Kombinationen davon.
In noch weiteren Variationen kann der nichtwässrige flüssige Elektrolyt ein erstes Salz und ein zweites Salz enthalten, wobei das erste Salz aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiDFOB), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiFSI), Lithiumbis(perfluorethysulfonyl)imid (LiBETI), Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumhexafluoroarsenat Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtrifluorethoxysulfonyl (LiTfO) und Kombinationen davon.
In jeder Variation kann bzw. können das/die Lithiumsalz(e) in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
In bestimmten Variationen kann der nichtwässrige flüssige Elektrolyt auch einen oder mehrere Elektrolytadditive enthalten. Der eine oder die mehreren Elektrolytadditive können enthalten: Vinylencarbonat (VC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylsulfat (DTD), Tris(trimethylsilan)phosphat (TMSP), Ethylencarbonat (VEC), InCl₃, ZnCl₂ und dergleichen.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem ein keramisches Materiali und/oder ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
In weiteren Variationen kann der Separator 26 ein Hochtemperaturseparator sein, der nur z.B. umfasst: Vliesstoffe auf Basis von Polyimid-Nanofasern, eine nanoskalige, mit Aluminium (Al₂O₃) und Poly(lithium-4-styrolsulfonat) beschichtete Polyethylenmembran, mit Kieselerde (SiO₂) beschichtete Polyethylen-Separatoren, mit Co-Polyimid-beschichtete Polyethylen-Separatoren, Polyetherimide (Bisphenol-Aceton-Diphthalsäureanhydrid und para-Phenylendiamin)-Separator, einen Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Separator, der mit expandiertem Polytetrafluorethylen verstärkt ist, Polyvinylidendifluorid (PVdF)/Poly(m-phenylenisophthalamid (PMIA)/Polyvinylidendifluorid (PVdF)-Nanofaser-Separatoren mit Sandwich-Strukturen und Kombinationen davon.
Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm.
In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der im porösen Separator 26 befindliche Elektrolyt 30 gemäß Darstellung in 1 durch eine Festkörperelektrolyt („SSE“)-Schicht und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z.B. Gelschicht) ersetzt werden, die sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht erleichtert den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm aufweisen und eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. In bestimmten Variationen können die Festkörperelektrolytteilchen Festkörperteilchen auf Oxidbasis, metalldotierte oder aliovalent-substituierte Oxidfestkörperteilchen, Festkörperteilchen auf Sulfidbasis, Festkörperteilchen auf Nitridbasis, Festkörperteilchen auf Hydridbasis, Festkörperteilchen auf Halogenidbasis, Festkörperteilchen auf Boratbasis und/oder inaktive Festkörperoxidteilchen umfassen.
Die Festkörperteilchen auf Oxidbasis können nur z.B. umfassen: granatartige Festkörperteilchen (z.B. Li₇La₃Zr₂O₁₂), Festkörperteilchen vom Perowskit-Typ (z.B. Li_3xLa_2/3-xTiO₃, wobei 0 < x < 0,167), Festkörperteilchen vom Typ NASICON (z.B. Li_1,4Al_0,4Ti_1,6(PO₄)₃, Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP)), und/oder Festkörperteilchen vom Typ LISICON (z.B. Li_2+2xZn_1-xGeO₄, wobei 0 < x < 1). Die metalldotierten oder aliovalent-substituierten Oxid-Festkörperteilchen können nur z.B. umfassen: mit Aluminium (AI) oder Niob (Nb) dotiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Antimon (Sb) dotiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Gallium (Ga) substituiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) substituiertes LiSn₂P₃O₁₂ und/oder mit Aluminium (AI) substituiertes Li_1+x+yAl_xTi_2-xSi_YP_3-yO₁₂ (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3). Die Festkörperteilchen auf Sulfidbasis können nur z.B. umfassen: Li₂S-P₂S₅-Systeme, Li₂S-P₂S₅-MO-Systeme (wobei M Zn, Ca oder Mg ist und 0 < x < 3), Li₂S-P₂S₅-MSx-Systeme (wobei M Si oder Sn ist und 0 < x < 3), Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄ (thio-LISICON), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, Li₁₀GeP₂S_11,7O_0,3, Lithium-Argyrodit (Li₆PS₆X, wobei X = Cl, Br oder I), Li_9,54Si_1,74P_1,44S_11,7Cl_0,3, Li_9,6P₃S₁₂, Li₇P₃S₁₁, Li₉P₃S₉O₃, Li_10,35Ge_1,35P_1,65S₁₂, Li_10,35Si_1,35P_1,65S₁₂, Li_9,81Sn_0,81P_2,18S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Ge_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Ge_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li₁₀(Si_0,5Sn_0,5)P₂S₁₂, Li_3,833Sn_0,833As_0,166S₄, Lil-Li₄SnS₄ und/oder Li₄SnS₄. Die Festkörperteilchen auf Nitridbasis können nur z.B. Li₃N, Li₇PN₄ und/oder LiSi₂N₃ umfassen. Die Teilchen auf Hydridbasis in festem Zustand können nur z.B. umfassen: LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei X = Cl, Br oder I), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₄ und/oder Li₃AlH₆. Die Teilchen auf Halogenidbasis können nur beispielsweise umfassen: Lil, Li₃InCl₆, Li₂CdCl₄, Li₂MgCl₄, Li₂Cdl₄, Li₂Znl₄ und/oder Li₃OCl. Die Festkörperteilchen auf Boratbasis können nur z. B. Li₂B₄O₇ und/oder Li₂O-B₂O₃-P₂O₅ umfassen.
In bestimmten Variationen kann der halbfeste oder gelartige Elektrolyt zumindest teilweise Hohlräume oder Öffnungen zwischen den Festkörperelektrolytteilchen ausfüllen. In anderen Variationen kann der poröse Separator 26, wie in 1 dargestellt, durch eine freistehende halbfeste oder Gelmembran ersetzt werden. In jedem Fall kann der halbfeste oder Gelelektrolyt mehr als oder gleich etwa oder genau 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa oder genau 50 Gew.-% des Polymerwirts und mehr als oder gleich etwa oder genau 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa oder genau 90 Gew.-% eines nichtwässrigen flüssigen Elektrolyten, wie oben beschrieben, enthalten. Der Polymerwirt kann zum Beispiel enthalten: 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 halbfeste oder Gelelektrolyt kann sich auch in den positiven und/oder negativen Elektroden 22, 24 befinden.
Gemäß 1 kann die positive Elektrode 24 aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder-Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein (nicht gezeigt). Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm haben, optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 umfassen: ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien mit einer Spinellstruktur (wie Lithium-Manganoxid (Li(_1+x)Mn₂O₄, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO) und/oder Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(_2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (LNMO) (z.B. LiMn_1,5Ni_0,5O₄)), ein oder mehrere Materialien mit Schichtstruktur (wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1) (z.B. LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂) (NMC) und/oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M Al, Mg, Ti oder dergl. sein kann); und/oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid mit Olivinstruktur (wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) (LFP), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn_2-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,3) (LFMP) und/oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li₂FePO₄F)). In bestimmten Variationen kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 811, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
In bestimmten Variationen kann das positive elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der positiven Elektrode 24 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die positive Elektrode 24 enthalten: 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 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; 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 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polyvinylidendifluorid (PVdF)-Copolymere, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen (PTFE)-Copolymere, Polyacrylsäure, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat. Zu den elektronisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören: Teilchen von Graphit, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstoff-Nanofasern und -Nanoröhren (z.B. einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNT)), Graphen (z.B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitfähiger Ruß (z.B. SuperP (SP)) und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
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 verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (mit der einen oder den mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm haben, optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm.
In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z.B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, enthalten. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise durch eine Lithiummetall-Folie mit einer durchschnittlichen Dicke von mehr als oder gleich etwa 0 nm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm gebildet sein. In anderen Variationen kann die negative Elektrode 22 nur z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) enthalten. In weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis enthalten. In weiteren Variationen kann die negative Elektrode 22 eine Kombination von negativen elektroaktiven Materialien enthalten. So kann die negative Elektrode 22 beispielsweise eine Kombination aus dem elektroaktiven Material auf Siliciumbasis (d.h. dem ersten negativen elektroaktiven Material) und einem oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien enthalten. Die ein oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien können nur beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen. In bestimmten Variationen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Silicium-Basis enthalten, der beispielsweise etwa oder genau 10 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis und etwa oder genau 90 Gew.-% Graphit enthält.
In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt (z.B. Schlickerguss) sein. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 22 enthalten: mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,5 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 60 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; 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 0,01 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer anodenfreien, elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 120 ist in 2 gezeigt. Die anodenfreie, elektrochemische Lithiumionen-Zelle 120 umfasst einen ersten Stromkollektor 132 (z.B. einen Stromkollektor der negativen Elektrode) und einen zweiten Stromkollektor 134 (z.B. einen positiven Stromkollektor). Wie der in 1 dargestellte erste Stromkollektor 32 kann der erste Stromkollektor 132 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Wie der in 1 dargestellte zweite Stromkollektor 34 kann der zweite Stromkollektor 134 eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist.
Eine positive Elektrode 124, wie die in 1 dargestellte positive Elektrode 24, kann an oder in der Nähe einer ersten Oberfläche 135 des zweiten Stromkollektors 134 angeordnet sein, und ein Separator 126, wie der in 1 dargestellte Separator 26, kann zwischen der positiven Elektrode 124 und dem Stromkollektor 132 der negativen Elektrode angeordnet sein. Die positive Elektrode 124 und der Separator 126 können jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 130 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen dem ersten Stromkollektor 132 und der positiven Elektrode 124 zu leiten. Wie der in 1 dargestellte Elektrolyt 30 kann in der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 120 jeder geeignete Elektrolyt 130 in fester, flüssiger oder Gelform verwendet werden, der in der Lage ist, Lithiumionen zwischen dem ersten Stromkollektor 132 und der positiven Elektrode 124 zu leiten. Wie Fachleuten klar ist, wird Lithium auf Oberflächen des ersten Stromkollektors 132, der der positiven Elektrode 124 gegenüberliegt, abgeschieden oder plattiert, und der Lade-Entlade-Prozess der anodenfreien elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 120 ähnelt dem Lade-Entlade-Prozess der in 1 dargestellten elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 20, die zum Beispiel eine Lithiummetall-Anode enthält.
Der erste Stromkollektor 132 und der zweite Stromkollektor 134 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu und von einem externen Stromkreis 140 bewegen. So können beispielsweise ein unterbrechbarer externer Stromkreis 140 und eine Lastvorrichtung 142 den ersten Stromkollektor 132 und die positive Elektrode 124 (über den zweiten Stromkollektor 134) verbinden. Beispielsweise kann die anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle 120 während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 140 geschlossen ist (um den ersten Stromkollektor 132 und die positive Elektrode 124 zu verbinden) und der erste Stromkollektor 132, der abgeschiedenes oder plattiertes Lithium enthält, ein niedrigeres Potenzial als die positive Elektrode hat. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 124 und dem ersten Stromkollektor 132 treibt Elektronen, die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von abgeschiedenem oder plattiertem Lithium während des Ladevorgangs, am ersten Stromkollektor 132 erzeugt werden, durch den externen Stromkreis 140 zur positiven Elektrode 124. Die Lithiumionen am ersten Stromkollektor 132 werden gleichzeitig durch den im Separator 126 enthaltenen Elektrolyten 130 zur positiven Elektrode 124 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 140, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 126, der den Elektrolyten 130 enthält, um an der positiven Elektrode 124 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie bereits erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 130 normalerweise auch in der positiven Elektrode 124. Der durch den externen Stromkreis 140 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 142 geleitet werden, bis das Lithium am ersten Stromkollektor 132 verbraucht ist und die Kapazität der elektrochemischen Lithiumionen-Zelle 120 abgenommen hat.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer beispielhaften hybridisierten Batterie 220, die sowohl herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen (wie die in 1 dargestellte elektrochemische Lithium-Zelle 20) als auch anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen (wie die in 2 dargestellte anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle 120) enthält, ist in 3 dargestellt. Wie dargestellt, umfasst die hybridisierte Batterie 220 eine erste, zweite und dritte Zelle 220A-220C. Die erste und die dritte Zelle 220A, 220C können herkömmliche elektrochemische Lithiumionen-Zellen sein, die wie die in 1 dargestellte elektrochemische Lithiumionen-Zelle 20 eine erste oder negative Elektrodenanordnung und eine zweite oder positive Elektrodenanordnung umfassen, die durch einen Separator 226 und/oder einen Elektrolyten 230 getrennt sind, wobei die negative Elektrodenanordnung einen ersten Stromkollektor (d.h. Stromkollektor der negativen Elektrode) 232 und eine erste oder negative elektroaktive Materialschicht (d.h. negative Elektrode) 222 umfasst und die positive Elektrodenanordnung einen zweiten Stromkollektor (d.h. Stromkollektor der positiven Elektrode) 234 und eine zweite oder positive elektroaktive Materialschicht (d.h. positive Elektrode) 224 umfasst.
Die zweite Zelle 220B kann eine anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle sein, die eine erste oder negative Elektrodenanordnung und eine zweite oder positive Elektrodenanordnung umfasst, die durch einen Separator 226 und/oder einen Elektrolyten 230 getrennt sind, wobei die negative Elektrodenanordnung einen ersten Stromkollektor (d.h. einen Stromkollektor für die negative Elektrode) 232 und die positive Elektrodenanordnung einen zweiten Stromkollektor (d.h. einen Stromkollektor für die positive Elektrode) 234 und eine zweite oder positive elektroaktive Materialschicht (d.h. eine positive Elektrode) 224 umfasst. Das heißt, bei der anodenfreien elektrochemischen Lithiumionen-Zelle kann die erste oder negative elektroaktive Materialschicht (d.h. die negative Elektrode) 222 weggelassen sein. Während eines anfänglichen Ladevorgangs kann jedoch Lithiummetall auf Oberflächen des ersten Stromkollektors 232 in der Nähe des Separators 226 oder in dessen Nähe abgeschieden oder plattiert werden. Wie dargestellt, kann sich die zweite Zelle 220B den Stromkollektor 232 der negativen Elektrode mit der ersten Zelle 220A und ferner den Stromkollektor 234 der positiven Elektrode mit der dritten Zelle 220C teilen.
Obwohl nur drei Zellen dargestellt sind, kann die hybridisierte Batterie 220 eine oder mehrere andere Zellen enthalten, und die eine oder mehreren anderen Zellen können elektrochemische Lithiumionen-Zellen wie die ersten und/oder dritten Zellen 220A, 220C oder anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zellen wie die zweite Zelle 220B sein. Es sollte auch klar sein, dass, obwohl eine Konfiguration elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle dargestellt ist, die Zellen, die die hybridisierte Batterie 220 bilden, in einer Vielzahl von Konfigurationen angeordnet sein können, wozu nur z.B. gehören: elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle oder elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle oder anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle oder anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle/elektrochemische Lithiumionen-Zelle/anodenfrei, elektrochemische Lithiumionen-Zelle. Die hybridisierte Batterie 220 sollte eine elektrochemische Lithiumionen-Zelle enthalten: Kapazitätsverhältnis von anodenfrei zu elektrochemischer Lithiumionen-Zelle von mehr als oder gleich etwa 50,01 % bis weniger als oder gleich etwa 99,99 % und unter bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 80 % bis weniger als oder gleich etwa 95 %. In jeder Variation kann die hybridisierte Batterie 220 ein Verhältnis (N/P) von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium von mehr als 1,0 aufweisen.
Die ersten Stromkollektoren 232 und die zweiten Stromkollektoren 234 sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 240. So können beispielsweise ein unterbrechbarer externer Stromkreis 240 und eine Lastvorrichtung 242 die ersten Stromkollektoren 232 und die positiven Elektroden 224 (über den zweiten Stromkollektor 234) verbinden. Zum Beispiel kann die hybridisierte Batterie 220 während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 240 geschlossen ist (um die ersten Stromkollektoren 232 und die positiven Elektroden 224 zu verbinden) und die ersten Stromkollektoren 232, die abgeschiedenes oder plattiertes Lithium und/oder negative Elektroden 222 enthalten, ein niedrigeres Potenzial als die positiven Elektroden 224 haben. Die chemische Potentialdifferenz zwischen den positiven Elektroden 224 und den ersten Stromkollektoren 232 und/oder den negativen Elektroden 222 treibt Elektronen, die durch eine Reaktion, z.B. die Oxidation von abgeschiedenem oder plattiertem Lithium, an den ersten Stromkollektoren 232 und/oder eingelagertem Lithium an den negativen Elektroden 222 erzeugt werden, durch den externen Stromkreis 240 zu den positiven Elektroden 224. Lithiumionen, die auch an den ersten Stromkollektoren 232 und/oder den negativen Elektroden 222 entstehen, werden gleichzeitig durch den in den Separatoren 226 enthaltenen Elektrolyten 230 zu den positiven Elektroden 224 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 240, und die Lithiumionen wandern durch die Separatoren 226, die den Elektrolyten 230 enthalten, um an den positiven Elektroden 224 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie bereits erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 230 normalerweise auch in den negativen Elektroden 222 und den positiven Elektroden 224. Der durch den externen Stromkreis 240 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 242 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in den ersten Stromkollektoren 232 und/oder der negativen Elektrode 222 verbraucht ist und die Kapazität der hybridisierten Batterie 220 abgenommen hat.
Die hybridisierte Batterie 220 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die hybridisierte Batterie 220 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die hybridisierte Batterie 220 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an den positiven Elektroden 224, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 230 über die Separatoren 226 zurück zu den ersten Stromkollektoren 232 und/oder negativen Elektroden 222, um die ersten Stromkollektoren 232 und/oder negativen Elektroden 222 mit Lithium (z.B. eingelagerten Lithium) für die Verwendung während der nächsten Batterieentladung aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen den positiven Elektroden 224 und den ersten Stromkollektoren 232 und/oder den negativen Elektroden 222 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der hybridisierten Batterie 220 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der hybridisierten Batterie 220 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie können jeweils die ersten Stromkollektoren 232, die negativen Elektroden 222, die Separatoren 226, die positiven Elektroden 224 und die zweiten Stromkollektoren 234 als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt werden, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die hybridisierte Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die hybridisierte Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der hybridisierten Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die ersten Stromkollektoren 232, die negativen Elektroden 222, die positiven Elektroden 224 und/oder die Separatoren 226 herum.
Die Größe und Form der hybridisierten Batterie 220 können je nach der speziellen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die hybridisierte Batterie 220 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die hybridisierte Batterie 220 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 242 benötigt wird. Dementsprechend kann die hybridisierte Batterie 220 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 242 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 240 ist. Die Lastvorrichtung 242 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 240 fließt, wenn die hybridisierte Batterie 220 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 242 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 242 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die hybridisierte Batterie 220 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Beispielhafte Batterien und Batteriezellen können gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden.
Eine beispielhafte Batteriezelle 310 kann beispielsweise eine erste und eine zweite Zelle umfassen, wobei die erste Zelle eine elektrochemische Lithiumionen-Zelle ist (wie die in 1 dargestellte elektrochemische Lithium-Zelle 20) und die zweite Zelle eine anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle ist (wie die in 2 dargestellte anodenfreie elektrochemische Lithiumionen-Zelle 120). Eine Vergleichsbatteriezelle 320 kann ebenfalls erste und zweite Zellen umfassen. Die erste und die zweite Zelle der Vergleichsbatteriezelle 320 sind jedoch beide elektrochemische Lithiumionen-Zellen (wie die in 1 dargestellte elektrochemische Lithium-Zelle 20).
4A ist eine graphische Darstellung, die einen Formationszyklus der beispielhaften Batteriezelle 310 zeigt, wobei die x-Achse 300 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 302 die Spannung (V) darstellt. Wie dargestellt, verbraucht die beispielhafte Batteriezelle 310 weniger aktives Lithium bei der Bildung von Festelektrolyt-Grenzflächenschichten auf Anodenteilchen, wie z.B. Graphit, als die Vergleichsbatteriezelle 320. Außerdem hat die beispielhafte Batteriezelle 310, wie dargestellt, einen Coulomb-Wirkungsgrad (CE) von etwa 82,18 %, während die Vergleichsbatteriezelle 320 einen Coulomb-Wirkungsgrad (CE) von nur etwa 70,22 % hat.
4B ist eine graphische Darstellung, die einen ersten Zyklus nach einem Formationszyklus der beispielhaften Batteriezelle 310 zeigt, wobei die x-Achse 350 die Kapazität (mAh) und die y-Achse 352 die Spannung (V) darstellt und wobei die Lade-C-Rate 0,1 C und die Entlade-C-Rate 0,25 C beträgt. Wie dargestellt, weist die beispielhafte Batteriezelle 310 eine höhere Kapazität und ein höheres durchschnittliches Lade- und Entladeplateau auf als die Vergleichsbatteriezelle 320. Mit anderen Worten hat die beispielhafte Batteriezelle 310 gegenüber der Vergleichsbatteriezelle 320 den Vorteil einer verbesserten Energiedichte.
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

Hybridisierte Lithiumionen-Batterie, umfassend: eine oder mehrere positive Elektrodenanordnungen, wobei jede der einen oder mehreren positiven Elektrodenanordnungen einen Stromkollektor der positiven Elektrode und eine oder mehrere positive elektroaktive Materialschichten umfasst, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen des Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnet sind; zwei oder mehr Stromkollektoren der negativen Elektrode, eine oder mehrere negative elektroaktive Materialschichten, die auf oder in der Nähe einer oder mehrerer Oberflächen von mindestens einem der beiden oder mehreren Stromkollektoren der negativen Elektrode angeordnet sind, wobei die Gesamtzahl der einen oder mehreren positiven elektroaktiven Materialschichten größer ist als die Gesamtzahl der negativen elektroaktiven Materialschichten; und zwei oder mehr Trennschichten, die die positiven Elektrodenanordnungen und die negativen elektroaktiven Materialschichten oder die positiven Elektrodenanordnungen und die Stromkollektoren der negativen Elektrode physisch voneinander trennen.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei eine erste positive Elektrodenanordnung der einen oder mehreren positiven Elektrodenanordnungen zusammen mit einem ersten Stromkollektor der negativen Elektrode der zwei oder mehreren Stromkollektoren der negativen Elektrode, einer ersten negativen elektroaktiven Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten, die auf oder in der Nähe einer ersten Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode, die der positiven Elektrodenanordnung zugewandt ist, angeordnet ist, und einer zwischen der positiven Elektrodenanordnung und der ersten negativen elektroaktiven Materialschicht angeordneten ersten Trennschicht der zwei oder mehreren Trennschichten eine erste Zelle bildet.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 2, wobei die erste positive Elektrodenanordnung eine auf einer ersten Seite eines zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnete erste positive elektroaktive Materialschicht und eine auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnete zweite positive elektroaktive Materialschicht umfasst, wobei die erste positive elektroaktive Materialschicht an die erste Trennschicht angrenzt, wobei die zweite positive elektroaktive Materialschicht zusammen mit einem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode der zwei oder mehr Stromkollektoren der negativen Elektrode und einer zwischen der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht und dem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode angeordneten zweiten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten eine zweite Zelle bildet, wobei der zweite Stromkollektor der negativen Elektrode die zweite Trennschicht kontaktiert.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei eine zweite negative elektroaktive Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten auf einer von der zweiten Trennschicht abgewandten Oberfläche des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite negative elektroaktive Materialschicht zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer zwischen der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordneten dritten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten eine dritte Zelle bildet.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 3, wobei eine zweite negative elektroaktive Materialschicht der einen oder mehreren negativen elektroaktiven Materialschichten auf einer Oberfläche des ersten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite negative elektroaktive Materialschicht zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer zwischen der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordneten dritten Trennschicht der zwei oder mehreren Trennschichten eine dritte Zelle bildet.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 2, wobei der erste Stromkollektor der negativen Elektrode zusammen mit einer zweiten positiven Elektrodenanordnung und einer zwischen dem ersten Stromkollektor der negativen Elektrode und der zweiten positiven Elektrodenanordnung angeordneten zweiten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten eine zweite Zelle bildet, wobei die zweite Trennschicht den ersten Stromkollektor der negativen Elektrode kontaktiert.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 6, wobei die zweite positive Elektrodenanordnung eine auf einer ersten Seite eines zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnete erste positive elektroaktive Materialschicht und eine auf einer zweiten Seite des zweiten Stromkollektors der positiven Elektrode angeordnete zweite positive elektroaktive Materialschicht umfasst, wobei die erste positive elektroaktive Materialschicht an die zweite Trennschicht angrenzt, wobei die zweite positive elektroaktive Materialschicht zusammen mit einem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode und einer zwischen der zweiten positiven elektroaktiven Materialschicht und dem zweiten Stromkollektor der negativen Elektrode angeordneten dritten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten eine dritte Zelle bildet.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 6, wobei eine zweite negative elektroaktive Materialschicht auf einer vom dritten Separator abgewandten Oberfläche des zweiten Stromkollektors der negativen Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite negative elektroaktive Materialschicht zusammen mit einer dritten positiven Elektrodenanordnung und einer zwischen der zweiten negativen elektroaktiven Materialschicht und der dritten positiven Elektrodenanordnung angeordneten vierten Trennschicht der zwei oder mehr Trennschichten eine vierte Zelle bildet.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie ein Verhältnis (N/P) von Kapazität der negativen Elektrode für Lithium zu Kapazität der positiven Elektrode für Lithium von mehr als 1,0 aufweist.
Hybridisierte Lithiumionen-Batterie nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Trennschichten einen flüssigen Elektrolyten, einen halbfesten Elektrolyten, einen Festkörperelektrolyten oder eine Kombination davon umfassen.