DE102022119284A1

DE102022119284A1 - Festkörperzwischenschichten für elektrochemische zellen mit flüssigen elektrolyten

Info

Publication number: DE102022119284A1
Application number: DE102022119284.9A
Authority: DE
Inventors: Zhe Li; Qili Su; Jingyuan Liu; Haijing Liu; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2024-01-18
Also published as: CN117438640A; US20240021866A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle umfasst eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen Separator, der die erste und die zweite Elektrode physisch trennt, eine Festkörperzwischenschicht, die zwischen dem Separator und der ersten Elektrode angeordnet ist, und einen flüssigen Elektrolyten, der jeweils in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, dem Separator und der Festkörperzwischenschicht angeordnet ist. Die Festkörperzwischenschicht umfasst eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen. Die Festkörperzwischenschicht bedeckt größer oder gleich ungefähr 85 % einer Gesamtoberfläche der Oberfläche der ersten Elektrode.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Es besteht ein Bedarf an fortgeschrittenen Energiespeichervorrichtungen und -systemen, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Kraftfahrzeugprodukten wie Start-Stopp-Systemen (z. B. 12-V-Start-Stopp-Systemen), batteriegestützten Systemen, Hybridelektrofahrzeugen („HEVs“) und Elektrofahrzeugen („EVs“). Typische Lithium-Ionen-Akkumulatoren umfassen zwei Elektroden und eine Elektrolytkomponente und/oder einen Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Katode und die andere Elektrode als negative Elektrode oder Anode dienen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können außerdem verschiedene Pol- und Verpackungsmaterialien umfassen. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren funktionieren, indem Lithiumionen reversierbar zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und hergeleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen beim Laden des Akkumulators von der positiven Elektrode zu der negativen Elektrode und beim Entladen des Akkumulators in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist geeignet, Lithiumionen zwischen den Elektroden zu leiten.
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 Festkörperzwischenschichten für elektrochemische Zellen, die flüssige Elektrolyte umfassen, sowie auf Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben.
Bei verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine Elektrode, eine Festkörperzwischenschicht und einen in der Elektrode und der Festkörperzwischenschicht angeordneten flüssigen Elektrolyten umfassen. Die Festkörperzwischenschicht kann eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die auf oder benachbart zu einer Oberfläche der Elektrode angeordnet sind.
Bei einem Aspekt können die Festkörperelektrolytteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Mikrometer aufweisen. Die Festkörperzwischenschicht kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Mikrometer aufweisen.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 85 % einer Gesamtoberfläche der Elektrodenoberfläche bedecken.
Bei einem Aspekt können die Festkörperteilchen Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, oder Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfassen.
Bei einem Aspekt können die Festkörperteilchen oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen, boratbasierte Festkörperteilchen oder Kombinationen davon umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% eines polymeren Bindemittels umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Elektrode eine positive Elektrode sein.
Bei einem Aspekt kann die Elektrode eine negative Elektrode sein.
Bei einem Aspekt kann die Elektrode eine erste Elektrode sein und kann die elektrochemische Zelle ferner eine zweite Elektrode, die parallel zur ersten Elektrode angeordnet ist, und einen Separator umfassen, der zwischen der Festkörperzwischenschicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Der flüssige Elektrolyt kann auch in dem Separator und der zweiten Elektrode angeordnet sein.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht eine erste Festkörperzwischenschicht sein, kann die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen sein und kann die elektrochemische Zelle ferner eine zweite Festkörperzwischenschicht umfassen, die zwischen dem Separator und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann eine zweite Vielzahl von Festkörperteilchen umfassen. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann größer oder gleich ungefähr 85 % einer Gesamtoberfläche der dem Separator gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten Elektrode bedecken. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann mit der ersten Festkörperzwischenschicht identisch oder von ihr verschieden sein. Der flüssige Elektrolyt kann auch in einer zweiten Festkörperzwischenschicht angeordnet sein.
Bei verschiedenen Aspekten kann die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereitstellen, die Lithiumionen zyklisiert. Die elektrochemische Zelle kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, einen Separator, der die erste und die zweite Elektrode physisch trennt, eine Festkörperzwischenschicht, die zwischen dem Separator und der ersten Elektrode angeordnet ist, und einen flüssigen Elektrolyten, der jeweils in der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode, dem Separator und der Festkörperzwischenschicht angeordnet ist, umfassen. Die Festkörperzwischenschicht kann eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen.
Bei einem Aspekt können die Festkörperelektrolytteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Mikrometer aufweisen, und die Festkörperzwischenschicht kann eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Mikrometer aufweisen.
Bei einem Aspekt können die Festkörperteilchen aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, Li₇La₃Zr₂O₁₂, anderen oxidbasierten Festkörperteilchen, metalldotierten oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierten Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierten Festkörperteilchen, nitridbasierten Festkörperteilchen, halogenidbasierten Festkörperteilchen, boratbasierten Festkörperteilchen oder Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% eines polymeren Bindemittels umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht eine erste Festkörperzwischenschicht sein, kann die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen sein und kann die elektrochemische Zelle ferner eine zweite Festkörperzwischenschicht umfassen. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die zwischen dem Separator und der zweiten Elektrode angeordnet sind. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann mit der ersten Festkörperzwischenschicht identisch oder von ihr verschieden sein. Der flüssige Elektrolyt kann auch in der zweiten Festkörperzwischenschicht angeordnet sein.
Bei verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung einen Separator für eine elektrochemische Zelle vor, die Lithiumionen zyklisiert. Der Separator kann eine poröse Schicht mit einer Porosität von größer oder gleich ungefähr 5 Vol.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Vol.-%, eine Festkörperzwischenschicht, die eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfasst, die auf einer Oberfläche der porösen Schicht angeordnet sind, und einen flüssigen Elektrolyten, der in der porösen Schicht und der Festkörperzwischenschicht angeordnet ist, umfassen.
Bei einem Aspekt können die Festkörperelektrolytteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Mikrometer aufweisen und kann die Festkörperzwischenschicht eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Mikrometer aufweisen.
Bei einem Aspekt können die Festkörperteilchen aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, Li₇La₃Zr₂O₁₂, anderen oxidbasierten Festkörperteilchen, metalldotierten oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierten Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierten Festkörperteilchen, nitridbasierten Festkörperteilchen, halogenidbasierten Festkörperteilchen, boratbasierten Festkörperteilchen oder Kombinationen davon besteht.
Bei einem Aspekt kann die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% eines polymeren Bindemittels umfassen.
Bei einem Aspekt kann die Oberfläche der porösen Schicht eine erste Oberfläche sein, kann die Festkörperzwischenschicht eine erste Festkörperzwischenschicht sein, kann die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen eine erste Vielzahl von Festkörperteilchen sein und kann der Separator ferner eine zweite Festkörperzwischenschicht umfassen. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die auf einer zweiten Oberfläche der porösen Schicht angeordnet sind. Die zweite Oberfläche kann parallel zur ersten Oberfläche verlaufen. Die zweite Festkörperzwischenschicht kann mit der ersten Festkörperzwischenschicht identisch oder von ihr verschieden sein. Der flüssige Elektrolyt kann auch in der zweiten Festkörperzwischenschicht angeordnet sein.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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 Veranschaulichung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle, die eine Festkörperzwischenschicht umfasst, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt eine Veranschaulichung einer weiteren elektrochemischen Zelle, die eine Festkörperzwischenschicht umfasst, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine Veranschaulichung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle, die eine erste und eine zweite Festkörperzwischenschicht umfasst, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Ergebnisse eines DDK-Tests (dynamische Differenzkalorimetrie) für eine beispielhafte Akkumulatorzelle mit einer Festkörperzwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
5 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die das Entladegeschwindigkeitsvermögen einer beispielhaften Akkumulatorzelle mit einer Festkörperzwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
6 zeigt eine grafische Veranschaulichung, die die Niedertemperaturentladung einer beispielhaften Akkumulatorzelle mit einer Festkörperzwischenschicht gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.

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 sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der bestimmten erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ 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“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden 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, um geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, einzuschließen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ gibt den angegebenen Zahlenwert sowohl genau als auch präzise an und bedeutet außerdem, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie bezieht sich auf elektrochemische Zellen mit Festkörperzwischenschichten und flüssigen Elektrolyten sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Solche Zellen können in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z. B. Motorrädern, Booten, Traktoren, Bussen, Motorrädern, Wohnmobilen, Wohnwagen und Panzern) eingesetzt werden. Die vorliegende Technologie kann jedoch auch in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, zum Beispiel (nicht einschränkend) in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Geräten, Gebäuden (z. B. Häusern, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Büroausrüstung und -möbeln sowie in Maschinen für Industrieausrüstung, in landwirtschaftlichen Geräten, Landmaschinen oder Schwermaschinen. Obwohl die nachfolgend im Detail beschriebenen veranschaulichten Beispiele eine einzelne der positiven Elektrode zugeordnete Katode und eine einzelne Anode umfassen, wird der Fachmann erkennen, dass sich die vorliegenden Lehren auch auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Katoden und einer oder mehreren Anoden sowie verschiedenen Stromabnehmern mit elektroaktiven Schichten, die auf einer oder mehreren Oberflächen davon oder angrenzend an dieselben angeordnet sind.
Eine beispielhafte und schematische Veranschaulichung einer elektrochemischen Zelle (auch als Akkumulator bezeichnet) 20 ist in 1 gezeigt. Der Akkumulator 20 umfasst eine negative Elektrode 22 (z. B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z. B. Katode) und einen Separator 26, der zwischen den Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Akkumulator 20 kann außerdem eine Festkörperzwischenschicht 50 umfassen, die zwischen der positiven Elektrode 24 und dem Separator 26 angeordnet ist. Der Separator 26 und auch die Festkörperzwischenschicht 50 stellen eine elektrische Trennung zwischen den Elektroden 22, 24 bereit, d. h., sie verhindern den physischen Kontakt zwischen denselben. Der Separator 26 und die Festkörperzwischenschicht 50 stellen einen Pfad mit minimalem Widerstand für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von verwandten Anionen während der Zyklisierung der Lithiumionen bereit. Bei verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der bei bestimmten Aspekten auch in der Festkörperzwischenschicht 50, der negativen Elektrode 22 und/oder der positiven Elektrode 24 vorliegen kann, um ein kontinuierliches Elektrolytnetz zu bilden.
Ein erster Stromabnehmer 32 (z. B. ein negativer Stromabnehmer) kann an oder im Bereich der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Der erste Stromabnehmer 32 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist. Ein zweiter Stromabnehmer 34 (z. B. ein positiver Stromabnehmer) kann an oder im Bereich der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der der zweiten Elektrode zugeordnete Stromabnehmer 34 kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall sein, das Kupfer oder ein anderes geeignetes elektrisch leitendes Material umfasst, das dem Fachmann bekannt ist. Der erste Stromabnehmer 32 und der zweite Stromabnehmer 34 können jeweils freie Elektronen sammeln und sie zu einem externen Stromkreis 40 und von demselben weg bewegen. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den ersten Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über den zweiten Stromabnehmer 34) verbinden.
Der Akkumulator 20 kann während der Entladung durch reversierbare elektrochemische Reaktionen, 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 geringeres Potenzial als die positive Elektrode aufweist, einen elektrischen Strom erzeugen. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch eine Reaktion, z. B. die Oxidation von interkaliertem Lithium, an der negativen Elektrode 22 erzeugten Elektronen durch den externen Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zu der positiven Elektrode 24 übertragen. 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 interkaliertes 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 des Akkumulators 20 verringert ist.
Der Akkumulator 20 kann jederzeit aufgeladen oder wieder mit Strom versorgt werden, indem eine externe Stromquelle an den Lithium-Ionen-Akkumulator 20 angeschlossen wird, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, die bei der Entladung des Akkumulators stattfinden. Der Anschluss einer externen elektrischen Stromquelle an den Akkumulator 20 fördert eine Reaktion, z. B. eine nicht-spontane Oxidation von interkaliertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 und durch den Separator 26 zur negativen Elektrode 22 zurück, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z. B. interkaliertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Akkumulatorentladevorgangs aufzufüllen. Als solcher wird jeder vollständige Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Aufladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisiert werden. Die externe Stromquelle, die zum Aufladen des Akkumulators 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung des Akkumulators 20 variieren. Einige besondere und beispielhafte externe Stromquellen umfassen unter anderem einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der über eine Wandsteckdose und eine Kraftfahrzeug-Wechselstromlichtmaschine an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist.
In vielen Lithium-Ionen-Akkumulator-Anordnungen werden jeweils der erste Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der zweite Stromabnehmer 34 als relativ dünne Schichten (z. B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengebaut, um ein geeignetes elektrische Energie und Leistung lieferndes Paket zu erhalten. Bei verschiedenen Aspekten kann der Akkumulator 20 außerdem eine Vielzahl anderer Komponenten umfassen, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann der Akkumulator 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Polkappen, Laschen, Akkumulatorpole und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien umfassen, die sich innerhalb des Akkumulators 20, einschließlich zwischen der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und/oder dem Separator 26 oder um dieselben herum, befinden.
Die Größe und Form des Akkumulators 20 können je nach der speziellen Anwendung, für die er ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind zwei Beispiele, bei denen der Akkumulator 20 sehr wahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt wäre. Der Akkumulator 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Akkumulatoren in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann der Akkumulator 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn sich der Akkumulator 20 entlädt. Während es sich bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln kann, umfassen einige besondere Beispiele einen Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder -geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein Stromerzeugungsgerät sein, das den Akkumulator 20 zum Zwecke der Speicherung elektrischer Energie auflädt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder das Elektrolytsystem 30 umfassen, z. B. in ihren Poren, die bzw. das in der Lage ist, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Bei bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 beispielsweise eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z. B. > 1 M) sein, die ein Lithiumsalz umfasst, das in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöst ist. In dem Akkumulator 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Elektrolytlösungen 30 verwendet werden.
Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluorborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₆)₄), Lithiumbis(oxalato)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluor(oxalato)borat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) und Kombinationen davon.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst sein, die unter anderem verschiedene Alkylcarbonate, wie z. B. zyklische Carbonate (z. B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z. B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (z. B. γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstruktur-Ether (z. B. 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z. B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z. B. Sulfolan) und Kombinationen davon umfassen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann der Separator 26 ein polyolefinbasierter Separator sein. Das Polyolefin kann beispielsweise ein Homopolymer (von einem einzigen Monomerbestandteil abgeleitet) oder ein Heteropolymer (von mehr als einem Monomerbestandteil abgeleitet) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Ist ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich derjenigen eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Ist das Polyolefin ein Heteropolymer, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. Bei bestimmten Abwandlungen kann das Polyolefin Polyacetylen, Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder eine Kombination davon umfassen. Bei dem polyolefinbasierten Separator kann es sich beispielsweise um einen zweischichtigen Separator handeln, der z. B. Polypropylen-Polyethylen umfasst. In anderen Fällen kann es sich bei dem polyolefinbasierten Separator um einen dreischichtigen Separator handeln, der z. B. Polypropylen-Polyethylen-Polypropylen umfasst.
Bei anderen Abwandlungen kann es sich bei dem Separator 26 um einen Separator handeln, der z. B. eine Membran aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder eine Membran aus Polyimid umfasst. In bestimmten Fällen kann es sich bei dem Separator 26 ferner auch um einen hochtemperaturstabilen Separator handeln. Bei dem Separator 26 kann es sich beispielsweise um einen polyimidnanofaserbasierten Vliesstoffseparator, eine mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Poly(lithium-4-styrolsulfonat) beschichtete Polyethylenmembran ohne Schlichte, einen mit Siliciumdioxid (SiO₂) beschichteten Polyethylen-Separator, einen mit Co-Polyimid beschichteten Polyethylen-Separator, einen Separator aus Polyetherimid (PEI) (Bisphenol-Aceton-Diphthalsäureanhydrid (BPADA) und p-Phenylendiamin), einen Separator aus mit expandiertem Polytetrafluorethylen verstärktem Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen, einen Separator mit einer Sandwich-Struktur aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) / Poly(m-Phenylenisophthalamid) (PMIA) / Polyvinylidenfluorid (PVDF) und dergleichen handeln.
Bei jeder Abwandlung kann der Separator 26 ein keramisches Material und/oder ein hitzebeständiges Material umfassen. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material gemischt sein oder können eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂) umfassen. Das hitzebeständige Material kann z. B. Nomex und/oder Aramid umfassen.
Die Festkörperzwischenschicht 50 ist eine elektrochemisch stabile Schicht. Die Festkörperzwischenschicht 50 ist beispielsweise in der Lage, bei den für die positive Elektrode vorgesehenen Arbeitsspannungen stabil zu arbeiten. Bei bestimmten Abwandlungen kann die Oxidationseinsatzspannung der Festkörperzwischenschicht 50 im Bereich von ungefähr 2,1 V bis ungefähr 5,0 V im Vergleich zu Li/Li⁺ liegen. Die Festkörperzwischenschicht 50 kann eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 52 umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 52 eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm aufweisen, und die Festkörperzwischenschicht 50 kann eine durchschnittliche Dicke aufweisen, die wenigstens das Zweifache der durchschnittlichen Größe der Festkörperelektrolytteilchen beträgt. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 50 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 40 µm, optional größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 5 µm aufweisen. Die Festkörperzwischenschicht 50 kann im Wesentlichen gleichmäßig und durchgehend sein.
Wie oben erwähnt, tragen die Festkörperzwischenschichten 50 dazu bei, die Elektroden 22, 24 physisch voneinander zu trennen und auch elektrisch zu isolieren, insbesondere bei mechanischer, elektrischer oder thermischer Beanspruchung. Die Festkörperzwischenschicht 50 kann außerdem dazu beitragen, das Geschwindigkeitsvermögen und die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Im Betrieb können die polarisierten Festkörperelektrolytteilchen 52 beispielsweise mit Lithiumionen (Li⁺) interagieren, um eine stärkere Dissoziation von Lithiumsalzen (z. B. im Elektrolyten 30) zu fördern und dadurch den Lithiumionentransport zu verstärken.
Bei bestimmten Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 52 beispielsweise Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ umfassen, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist. Bei anderen Abwandlungen können die Festkörperteilchen 52 oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 52 beispielsweise eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen und eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wobei die erste Vielzahl Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, und die zweite Vielzahl umfasst oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen.
Bei jeder Abwandlung können die oxidbasierten Festkörperteilchen Festkörperteilchen vom Granattyp (z. B. Li₇La₃Zr₂O₁₂), Festkörperteilchen vom Perowskit-Typ (z. B. Li_3xLa_2/3-xTiO₃, wobei 0 < x < 0,167 ist), Festkörperteilchen vom NASICON-Typ (z. B. Li_1,4Al_0,4Ti_1,6(PO₄)₃, Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (wobei 0 ≤ x ≤ 2 ist) (LAGP)) und/oder Festkörperteilchen vom LISICON-Typ (z. B. Li_2+2xZn_1-xGeO₄, wobei 0 < x < 1 ist) umfassen, können die metalldotierten oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierten Oxidfestkörperteilchen mit Aluminium (Al) oder Niob (Nb) dotiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Antimon (Sb) dotiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Gallium (Ga) substituiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂, mit Chrom (Cr) und/oder Vanadium (V) substituiertes Li₇La₃Zr₂O₁₂ und/oder mit Aluminium (Al) substituiertes Li_1+x+yAl_xTi_2-xSi_YP_3-yO₁₂ (wobei 0 < x < 2 und 0 < y < 3 sind) umfassen, können die sulfidbasierten Festkörperteilchen Li₂S-P₂S₅-Systeme (z. B. Li₃PS₄, Li₇P₃S₁₁ und Li_9,6P₃S₁₂), Li₂S-SnS₂-Systeme (z. B. Li₄SnS₄), Li₂S-P₂S₅-MOx-Systeme (wobei 1≤ x ≤ 2 ist), Li₂S-P₂S₅-MSx-Systeme (wobei 1 ≤ x ≤ 2 ist), Li₁₀GeP₂S₁₂ (LGPS), Li_3,25Ge_0,25P_0,75S₄ (Thio-LISICON), Li_3,4Si_0,4P_0,6S₄, Li₁₀GeP₂S₁₁,₇O_0,3, Lithium-Argyrodit (Li₆PS₅X (wobei X für CL, Br oder I steht)), 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_3,933Sn_0,833As_0,166S₄, LiI-Li₄SnS₄ und/oder Li₄SnS₄ umfassen, können die nitridbasierten Festkörperteilchen Li₃N, Li₇PN₄ und/oder LiSi₂N₃ umfassen, können die halogenidbasierten Festkörperteilchen Li₃YCl₆, Li₃InCl₆, Li₃YBr₆, LiI, Li₂CdC_I4, Li₂MgCl₄, LiCdI₄, Li₂ZnI₄, Li₃OCl und Kombinationen davon umfassen, können die hydridbasierten Festkörperteilchen LiBH₄, LiBH₄-LiX (wobei x = Cl, Br oder I ist), LiNH₂, Li₂NH, LiBH₄-LiNH₂, Li₃AlH₆ und Kombinationen davon umfassen und können die boratbasierten Festkörperteilchen LI₂B₄O₇ und/oder Li₂O-B₂O₃-P₂O₅ umfassen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 50 ferner ein polymeres Bindemittel umfassen. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 50 größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen 52 und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, des polymeren Bindemittels umfassen. Beispielhafte polymere Bindemittel umfassen Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen-Copolymere (PTFE-Copolymere), Polyacrylsäure, Mischungen aus Polyvinylidenfluorid und Polyhexafluorpropen, Polychlortrifluorethylen, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk (EPDM), Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithiumpolyacrylat (Li-PAA), Natriumpolyacrylat (NaPAA), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Natriumalginat und/oder Lithiumalginat.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 50 auf die positive Elektrode 24 aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 50 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer ersten Oberfläche der positiven Elektrode 24 bedecken. Die erste Oberfläche der positiven Elektrode 24 liegt der negativen Elektrode 22 gegenüber.
Bei anderen Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 50 auf eine Oberfläche des Separators 26 aufgebracht sein, die der positiven Elektrode 24 gegenüberliegt. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 50 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer der positiven Elektrode 24 gegenüberliegenden Oberfläche des Separators 26 bedecken.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem lithiumbasierten aktiven Material gebildet sein, das in der Lage ist, einer Lithium-Interkalation und -Deinterkalation, einem Legier- und Entlegiervorgang oder einem Beschichtungs- und Ablösevorgang unterzogen zu werden, während es als positiver Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen definiert sein. Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der positiven Elektrode 24 enthalten sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die positive Elektrode 24 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 52, die die Festkörperzwischenschicht 50 definieren, identisch oder davon verschieden sind. Bei jeder Abwandlung kann die positive Elektrode 24 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten kann ein positives elektroaktives Material ein geschichtetes Oxid umfassen, das durch LiMeO₂ dargestellt ist, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie z. B. Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. Bei anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Olivin-Typ umfassen, das durch LiMePO₄ dargestellt ist, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie z. B. Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. Bei noch anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material ein Oxid vom monoklinen Typ umfassen, das durch Li₃Me₂(PO₄)₃ dargestellt ist, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie z. B. Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. Bei noch anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material ein Oxid vom Spinell-Typ sein, das durch LiMe₂O₄ dargestellt ist, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie z. B. Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. Bei noch anderen Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material ein Tavorit sein, der durch LiMeSO₄F und/oder LiMePO₄F dargestellt ist, wobei Me ein Übergangsmetall ist, wie z. B. Cobalt (Co), Nickel (Ni), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Aluminium (Al), Vanadium (V) oder Kombinationen davon. Bei noch weiteren Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material eine Kombination aus positiven elektroaktiven Materialien sein. Die positive Elektrode 24 kann beispielsweise ein oder mehrere geschichtete Oxide, ein oder mehrere Oxide vom Olivin-Typ, ein oder mehrere Oxide vom monoklinen Typ, ein oder mehrere Oxide vom Spinell-Typ, ein oder mehrere Tavorite oder Kombinationen davon umfassen.
Bei bestimmten Abwandlungen kann das positive elektroaktive Material optional mit einem elektronenleitenden Material vermischt (z. B. aufgeschlämmt) sein, das einen elektronenleitenden Pfad und/oder ein polymeres Bindemittel bereitstellt, der bzw. das die strukturelle Intaktheit der positiven Elektrode 24 verbessert. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials, größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des elektronenleitenden Materials und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen.
Elektronenleitende Materialien können kohlenstoffbasierte Materialien, pulverförmige Nickel- oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Kohlenstoffbasierte Materialien können beispielsweise Teilchen aus Graphit, Acetylenschwarz (wie KETCHEN™-Schwarz oder DENKA™-Schwarz), Kohlenstoffnanofasern und -nanoröhren (z. B. einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT)), Graphen (z. B. Graphenplättchen (GNP), oxidierte Graphenplättchen), leitende Industrieruße (z. B. SuperP (SP)) und dergleichen umfassen. Beispiele für ein leitendes Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithiumwirtsmaterial gebildet sein, das in der Lage ist, als negativer Pol eines Lithium-Ionen-Akkumulators zu fungieren. Bei verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl von negativen elektroaktiven Materialteilchen definiert sein. Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z. B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und in Poren der negativen Elektrode 22 enthalten sein. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, die mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 52, die die Festkörperzwischenschicht 50 definieren, identisch oder davon verschieden sind und/oder die mit der Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die optional in der positiven Elektrode 24 enthalten sind, identisch oder davon verschieden sind. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (einschließlich der einen oder mehreren Schichten) eine Dicke von größer oder gleich ungefähr 0 nm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm, optional größer oder gleich ungefähr 1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 500 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 10 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 200 µm aufweisen.
Bei verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 ein lithiumhaltiges negatives elektroaktives Material, wie z. B. eine Lithiumlegierung und/oder ein Lithiummetall, umfassen. Bei anderen Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 nur zum Beispiel kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen. Bei weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 ein siliciumbasiertes elektroaktives Material umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 eine Kombination aus negativen elektroaktiven Materialien umfassen. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 eine Kombination aus dem siliciumbasierten elektroaktiven Material (d. h. dem ersten negativen elektroaktiven Material) und einem oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien umfassen. Das eine oder die mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien können nur zum Beispiel kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und dergleichen) und/oder metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen) umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen kann die negative Elektrode 22 beispielsweise einen Verbundwerkstoff auf Kohlenstoff-Silicium-Basis umfassen, der z. B. ungefähr oder genau 10 Gew.-% eines siliciumbasierten elektroaktiven Materials und ungefähr oder genau 90 Gew.-% Graphit umfasst.
Bei bestimmten Abwandlungen kann das negative elektroaktive Material optional mit einem elektronenleitenden Material vermischt (z. B. aufgeschlämmt) sein, das einen elektronenleitenden Pfad und/oder ein polymeres Bindemittel bereitstellt, der bzw. das die strukturelle Intaktheit der negativen Elektrode 22 verbessert. Beispielsweise kann die negative Elektrode 22 größer oder gleich ungefähr 30 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 98 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 60 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 95 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 30 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des elektronenleitenden Materials und größer oder gleich 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des einen oder der mehreren polymeren Bindemittel umfassen.
2 veranschaulicht eine weitere beispielhafte elektrochemische Zelle (auch als Akkumulator bezeichnet) 220. Wie der in 1 veranschaulichte Akkumulator 20 kann der Akkumulator 220 eine negative Elektrode 222 (z. B. Anode), die mit einem ersten Stromabnehmer 232 angeordnet ist, eine positive Elektrode 224 (z. B. Katode), die mit einem zweiten Stromabnehmer 234 angeordnet ist, und einen Separator 226 umfassen, der die negative Elektrode 222 und die positive Elektrode 224 physisch trennt. In diesem Fall kann jedoch eine Festkörperzwischenschicht 250 zwischen der negativen Elektrode 222 und dem Separator 226 angeordnet sein. Wie die in 1 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 50 kann die Festkörperzwischenschicht 250 im Wesentlichen gleichmäßig und durchgehend sein.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 250 auf die negative Elektrode 222 aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 250 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer ersten Oberfläche der negativen Elektrode 222 bedecken. Die erste Oberfläche der negativen Elektrode 222 liegt der positiven Elektrode 224 gegenüber.
Bei anderen Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 250 auf eine Oberfläche des Separators 226 aufgebracht sein, die der negativen Elektrode 222 gegenüberliegt. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 250 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer der negativen Elektrode 222 gegenüberliegenden Oberfläche des Separators 226 bedecken.
Wie die in 1 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 50 kann die Festkörperzwischenschicht 250 bei jeder Abwandlung eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen 252 umfassen. Bei bestimmten Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 252 eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm aufweisen und kann die Festkörperzwischenschicht 250 eine durchschnittliche Dicke aufweisen, die wenigstens das Zweifache der durchschnittlichen Größe der Festkörperelektrolytteilchen beträgt. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 250 eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 40 µm, optional größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 5 µm aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 252 zum Beispiel Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfassen. Bei anderen Abwandlungen können die Festkörperteilchen 252 oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 252 beispielsweise eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen und eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wobei die erste Vielzahl Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfasst und die zweite Vielzahl oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfasst.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 250 ferner ein polymeres Bindemittel umfassen. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 250 größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen 252 und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-%, und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-%, des polymeren Bindemittels umfassen.
3 veranschaulicht eine weitere beispielhafte elektrochemische Zelle (auch als Akkumulator bezeichnet) 320. Wie der in 1 veranschaulichte Akkumulator 20 und auch der in 3 veranschaulichte Akkumulator 220 kann der Akkumulator 320 eine negative Elektrode 322 (z. B. Anode), die mit einem ersten Stromabnehmer 332 angeordnet ist, eine positive Elektrode 324 (z. B. Katode), die mit einem zweiten Stromabnehmer 334 angeordnet ist, und einen Separator 326 umfassen, der die negative Elektrode 322 und die positive Elektrode 324 physisch trennt. In diesem Fall können jedoch eine erste Festkörperzwischenschicht 350 zwischen der positiven Elektrode 324 und dem Separator 326 und eine zweite Festkörperzwischenschicht 360 zwischen der negativen Elektrode 322 und dem Separator 326 angeordnet sein. Wie die in 1 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 50 und/oder die in 2 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 250 können die erste und die zweite Festkörperzwischenschicht 350, 360 im Wesentlichen gleichförmig und durchgehend sein.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die erste Festkörperzwischenschicht 350 auf die positive Elektrode 324 aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 350 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer ersten Oberfläche der positiven Elektrode 324 bedecken. Die erste Oberfläche der positiven Elektrode 324 liegt der negativen Elektrode 322 gegenüber.
Bei anderen Abwandlungen kann die erste Festkörperzwischenschicht 350 auf eine Oberfläche des Separators 326 aufgebracht sein, die der positiven Elektrode 324 gegenüberliegt. Beispielsweise kann die erste Festkörperzwischenschicht 350 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer der positiven Elektrode 322 gegenüberliegenden Oberfläche des Separators 326 bedecken.
Bei bestimmten Abwandlungen kann die zweite Festkörperzwischenschicht 360 auf die negative Elektrode 322 aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 360 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer ersten Oberfläche der negativen Elektrode 322 bedecken. Die erste Oberfläche der negativen Elektrode 322 liegt der positiven Elektrode 324 gegenüber.
Bei anderen Abwandlungen kann die Festkörperzwischenschicht 360 auf eine Oberfläche des Separators 326 aufgebracht sein, die der negativen Elektrode 322 gegenüberliegt. Beispielsweise kann die Festkörperzwischenschicht 360 größer oder gleich ungefähr 85 %, optional größer oder gleich ungefähr 86 %, optional größer oder gleich ungefähr 87 %, optional größer oder gleich ungefähr 88 %, optional größer oder gleich ungefähr 89 %, optional größer oder gleich ungefähr 90 %, optional größer oder gleich ungefähr 91 %, optional größer oder gleich ungefähr 92 %, optional größer oder gleich ungefähr 93 %, optional größer oder gleich ungefähr 94 %, optional größer oder gleich ungefähr 95 %, optional größer oder gleich ungefähr 96 %, optional größer oder gleich ungefähr 97 %, optional größer oder gleich ungefähr 98 %, optional größer oder gleich ungefähr 99 % und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 99,5 % der Gesamtoberfläche einer der negativen Elektrode 322 gegenüberliegenden Oberfläche des Separators 326 bedecken.
Wie die in 1 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 50 und/oder die in 2 veranschaulichte Festkörperzwischenschicht 250 können die erste Festkörperzwischenschicht 350 eine Vielzahl von ersten Festkörperelektrolytteilchen 352 und die zweite Festkörperzwischenschicht 260 eine Vielzahl von zweiten Festkörperelektrolytteilchen 362 umfassen. Die ersten Festkörperelektrolytteilchen 352 können mit den zweiten Festkörperelektrolytteilchen 362 identisch oder davon verschieden sein. Bei bestimmten Abwandlungen können die ersten Festkörperelektrolytteilchen 352 und auch die zweiten Festkörperelektrolytteilchen 363 eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 20 µm und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0,1 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm aufweisen und können die erste und die zweite Festkörperzwischenschicht 350, 360 eine durchschnittliche Dicke aufweisen, die wenigstens das Zweifache der durchschnittlichen Größe der Festkörperelektrolytteilchen beträgt. Beispielsweise können die erste und die zweite Festkörperzwischenschicht 350, 360 durchschnittliche Dicken von größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 40 µm, optional größer oder gleich ungefähr 0,5 µm bis kleiner oder gleich ungefähr 10 µm und bei bestimmten Aspekten optional ungefähr 5 µm aufweisen.
Bei bestimmten Abwandlungen können die Festkörperelektrolytteilchen 352 beispielsweise Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ umfassen, wobei 0≤x≤2 (LATP) ist. Bei anderen Abwandlungen können die ersten Festkörperteilchen 352 oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen können die ersten Festkörperelektrolytteilchen 352 beispielsweise eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen und eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wobei die erste Vielzahl Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ umfasst, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, und die zweite Vielzahl oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfasst.
Bei bestimmten Abwandlungen können die zweiten Festkörperelektrolytteilchen 362 zum Beispiel Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfassen. Bei anderen Abwandlungen können die zweiten Festkörperteilchen 362 oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfassen. Bei noch weiteren Abwandlungen können die zweiten Festkörperelektrolytteilchen 362 beispielsweise eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen und eine zweite Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfassen, wobei die erste Vielzahl Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfasst und die zweite Vielzahl oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen und/oder boratbasierte Festkörperteilchen umfasst.
Bei bestimmten Abwandlungen können die erste Festkörperzwischenschicht 350 und/oder die zweite Festkörperzwischenschicht 360 ferner ein polymeres Bindemittel umfassen. Beispielsweise können die erste Festkörperzwischenschicht 350 und/oder die zweite Festkörperzwischenschicht 360 größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 90 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der ersten Festkörperelektrolytteilchen 352 bzw. der zweiten Festkörperelektrolytteilchen und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% und bei bestimmten Aspekten optional größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Gew.-% des polymeren Bindemittels umfassen.
Bestimmte Merkmale der vorliegenden Technologie sind ferner durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können beispielhafte Akkumulatoren und Akkumulatorzellen hergestellt werden.
Eine beispielhafte Akkumulatorzelle 510 kann beispielsweise eine Festkörperzwischenschicht und einen flüssigen Elektrolyten gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfassen. Es kann eine Vergleichsakkumulatorzelle 520 hergestellt werden, die der beispielhaften Akkumulatorzelle 510 ähnlich ist, bei der jedoch die Festkörperzwischenschicht weggelassen wird.
4 zeigt eine grafische Veranschaulichung der Ergebnisse eines DDK-Tests (dynamische Differenzkalorimetrie) für die beispielhafte Akkumulatorzelle 510 im Vergleich zur Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die x-Achse 500 die Temperatur (°C) darstellt und die y-Achse 502 den Wärmestrom (atomare Einheit) darstellt. Der Pfeil 512 steht für endotherme Reaktionspotenziale und der Pfeil 514 für exotherme Reaktionspotenziale. Wie veranschaulicht, wurden exotherme Reaktionen, die z. B. durch einen internen Kurzschluss (von ungefähr 145 °C bis ungefähr 190 °C) verursacht werden, durch die Hinzufügung der Festkörperzwischenschicht wirksam unterdrückt.
5 zeigt eine grafische Veranschaulichung des Entladegeschwindigkeitsvermögens der beispielhaften Akkumulatorzelle 510 im Vergleich zur Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die x-Achse 600 die Zykluszahl darstellt und die y-Achse 602 die Ladungshaltung (%) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Akkumulatorzelle 510 eine bessere Geschwindigkeitsleistung als die Vergleichsakkumulatorzelle 520 auf. Beispielsweise kann die beispielhafte Akkumulatorzelle 510 eine Ladungshaltung von ungefähr 88 % bei einer C-Rate von 10 C liefern, was höher ist als bei der Vergleichsbatteriezelle 520 (d. h. ungefähr 80 %).
6 zeigt eine grafische Veranschaulichung der Niedertemperaturentladung der beispielhaften Akkumulatorzelle 510 im Vergleich zur Vergleichsbatteriezelle 520, wobei die x-Achse 700 die Haltung (%) bei 25 °C darstellt und die y-Achse 702 die Spannung (V) darstellt. Wie veranschaulicht, weist die beispielhafte Akkumulatorzelle 510 ein verbessertes Niedertemperaturentladungsvermögen und eine niedrigere Spannungspolarisation als die Vergleichsakkumulatorzelle 520 auf.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisiert, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine Elektrode, eine Festkörperzwischenschicht, die eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen umfasst, die auf oder benachbart zu einer Oberfläche der Elektrode angeordnet sind, und einen flüssigen Elektrolyten, der in der Elektrode und der Festkörperzwischenschicht angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörperelektrolytteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich ungefähr 0,02 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Mikrometer aufweisen und die Festkörperzwischenschicht eine durchschnittliche Dicke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Mikrometern bis kleiner oder gleich ungefähr 40 Mikrometer aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 85 % einer Gesamtoberfläche der Oberfläche der Elektrode bedeckt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörperteilchen Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃, wobei 0 ≤ x ≤ 2 (LATP) ist, oder Li₇La₃Zr₂O₁₂ umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Festkörperteilchen oxidbasierte Festkörperteilchen, metalldotierte oder mit unterschiedlicher Wertigkeit substituierte Oxidfestkörperteilchen, sulfidbasierte Festkörperteilchen, nitridbasierte Festkörperteilchen, halogenidbasierte Festkörperteilchen, boratbasierte Festkörperteilchen oder Kombinationen davon umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei die Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 80 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 100 Gew.-% der Festkörperelektrolytteilchen und größer oder gleich ungefähr 0 Gew.-% bis kleiner oder gleich ungefähr 20 Gew.-% eines polymeren Bindemittels umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine positive Elektrode ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine negative Elektrode ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode eine erste Elektrode ist und die elektrochemische Zelle ferner umfasst: eine zweite Elektrode, die parallel zu der ersten Elektrode angeordnet ist, und einen Separator, der zwischen der Festkörperzwischenschicht und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei der flüssige Elektrolyt auch in dem Separator und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, wobei die Festkörperzwischenschicht eine erste Festkörperzwischenschicht ist, die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen eine erste Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen ist und die elektrochemische Zelle ferner umfasst: eine zweite Festkörperzwischenschicht, die zwischen dem Separator und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Festkörperzwischenschicht eine zweite Vielzahl von Festkörperteilchen umfasst, wobei die zweite Festkörperzwischenschicht größer oder gleich ungefähr 85 % einer Gesamtoberfläche einer dem Separator gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten Elektrode bedeckt, wobei die zweite Festkörperzwischenschicht mit der ersten Festkörperzwischenschicht identisch oder davon verschieden ist und wobei der flüssige Elektrolyt ebenfalls in der zweiten Festkörperzwischenschicht angeordnet ist.